振幅调控双曲余弦高斯涡旋光束的聚焦特性

研究了双曲余弦高斯涡旋光束不同振幅参量对光场分布的影响。在相同光涡旋的情况下改变振幅的大小,在焦平面上场强分布变化明显。涡旋光束的拓扑数对光束的聚焦特性存在明显影响,不同的拓扑数会引起聚焦区域光强分布变化,另外也产生一些新的多焦点阵列和多重菱形聚焦图案。     

高斯光束夫琅和费衍射径技术

在文［１］基础上，对比平面波衍射测细丝直径方法，讨论了高斯光束Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ衍射测径的几个技术性问题。在衍射原理基础上，对用Ｇａｕｓｓｉａｎ光束测细丝直径这种方法给予了理论上的解决和实验上的校准，表明用Ｇａｕｓｓｉａｎ光束测细丝直径优于用平面波衍射细丝直径，理论和实验结果有较好的吻合。     

高斯光束夫琅和费衍射测径技术

在文[1]基础上,对比平面波衍射测细丝直径方法,讨论了高斯光束Fraunhofer 衍射测径的几个技术性问题。在衍射原理基础上,对用 Gaussian 光束测细丝直径这种方法给予了理论上的解决和实验上的校准,表明用 Gaussian 光束测细丝直径优于用平面波衍射测细丝直径,理论和实验结果有较好的吻合。     

双曲余弦柔性铰链的刚度推导

柔性铰链在科学技术领域有着广泛的应用,以力学基本公式和微积分为基础,推导出了双曲余弦柔性铰链的刚度计算公式.计算公式是精确的推导结果且表达较为简洁,有利于柔性铰链及其机构的计算和分析.     

高斯光束横向光强分布的检测研究

由于激光技术的广泛应用和不断发展,对高斯光束的研究及测量成为一个重要内容。高斯光束横向光强分布的特性直接关系到激光的应用,因此从高斯光束横向光强分布特性的研究出发,采用小孔扫描法和CCD数据采集法测量高斯光束横向光强分布,然后把实验测量的光强分布数据通过图像处理程序绘制成光强分布曲线并与理论的高斯分布曲线进行拟合对比。结果显示实验测得的高斯光束的横向光强分布与理论高斯分布吻合,证实了高斯光束的横向光强分布遵守高斯函数。     

激光器光学谐振腔高斯光束的仿真研究

谐振腔是激光器的核心部件,光学谐振腔理论的重点是高斯光束.应用Simulink对谐振腔高斯光束进行了仿真,分析了仿真参数对仿真系统的影响,并指出了仿真系统的应用.     

高斯涡旋光束通过像散透镜后的相位奇异特性

光场相位奇异特性研究在奇点光学研究领域中具有非常重要的意义。本文运用广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式推导出高斯涡旋光束通过像散透镜后的光场分布表达式,并研究了它在几何焦平面上的相位奇异特性。结果表明,高斯涡旋光束通过像散透镜后在几何焦平面上存在相位奇点,相位奇点受到透镜的像散系数、光束束腰宽度和涡旋离轴量等参数的影响。在一定条件下,几何焦平面上出现直刃型位错线或光涡旋。当像散系数为0时,光涡旋出现在y轴上。当像散系数不为0,而涡旋离轴量为0时,会出现直刃型位错线或光涡旋,且各自的位置都非常稳定。当像散系数、涡旋离轴量或束腰宽度改变时,光涡旋会发生移动。这对光学元器件的设计和涡旋光束相位奇点的控制有一定的参考价值。     

基于拉盖尔-高斯光束的螺旋干涉模式研究

为提高粒子操控的灵活性和精度,一种基于拉盖尔-高斯光束的可控螺旋干涉模式被提出。通过理论分析两束拉盖尔-高斯光束同轴叠加光场,给出了不同参数的变化对干涉光场强度分布的影响。通过仿真模拟,研究参数变化对场强结构的调控作用。结果表明,通过改变两束拉盖尔-高斯光束的拓扑电荷数可以实现干涉模式光场强度极大值的数量和分布的动态调整,增加了对粒子操控的灵活性和可控性,为提高光束微粒操控的精度的提升提供了可能。     

高斯光束的光学变换

本文从高斯光束和几何光学概念出发,分析了光学系统传输高斯光束的参数选择原刚,提出了某些设计要求。并以准直系统为例分析了激光准直系统对高斯光束的变换特性,还推导了光束扩展比的一般关系式。     

基于光学衍射神经网络的拉盖尔–高斯光束识别

拉盖尔–高斯（Laguerre-Gaussian,LG）光束除了轨道角动量（orbital angular momentum,OAM）维度外,还拥有径向量子数$ p $,因此LG光束可以为光通信和光计算等应用提供更多的物理自由度。但目前常见的干涉、衍射机制的LG光束模式探测方法在受到大气湍流的干扰时,识别准确率会明显下降,从而限制了其实际应用。提出了一种基于衍射神经网络（diffractive neural network,DNN）的LG光束识别方式,实现了$ p $在$ 1～3 $范围内的识别。即使在强湍流强度,衍射距离为5 m的情况下,该识别方式的识别准确率依然能达到95%以上。该DNN方法能够为准确识别LG光束模式提供有效途径,在大容量OAM通信、高维量子信息处理等方面均具有潜在应用价值。     

基于双环形旋涡相位调制的多焦点产生

为提高光学显微成像及微粒控制的效率,提出一种通过双环形旋涡相位板对入射光为拉盖尔高斯柱矢量光束进行波前相位调制的多焦点产生方法。通过Debye矢量衍射理论分析了该相位板对焦点区域光强分布的影响。分析表明,经调节内外环旋涡相位拓扑数及内环的半径,可以对焦点区域光强分布进行整形,在焦平面上产生多焦点,而且通过改变入射柱矢量光束的偏振态,可以进一步得到光场由轴向分量为主的多焦点及由横向分量组成的多焦点。通过改变旋涡相位板的拓扑数及光束的参数,可以达到对光斑的数量的控制。这对于捕捉折射率高于周围环境折射率的微粒具有重要的应用价值。     

圆环衍射效应下涡旋光束的光强变化

为了分析拓扑电荷数以及相干性对部分相干涡旋光束的影响,利用部分相干光的统一理论和惠更斯-菲涅耳衍射原理,推导出随机电磁涡旋光束在自由空间中传播时,尤其是部分相干涡旋光束经圆环衍射后光强的计算公式,研究了部分相干涡旋光束通过圆环后的夫琅和费衍射特性。通过理论分析与数值计算表明,部分相干涡旋光束经圆环衍射后的光强分布情况与入射光的相干度、入射光束的拓扑电荷数、衍射孔径的大小等因素有关。当入射光束的拓扑电荷数越大,相干长度越长,衍射孔径越小时,衍射光束的光强分布会更加清晰,衍射效果也更加明显。     

Dynamics of a rotating Rayleigh beam subject to a repetitively travelling force

The dynamics of a rotating Rayleigh beam subject to a force travelling at a constant speed along the axial direction is studied. The beam is chosen as a simple model of the workpiece in the lathing process. A technique is developed for modeling the repetitive cutting force on the workpiece. The amplitude of the cutting force is chosen to be either constant or dependent on the motion of the beam. The discretized equations of motion of the rotating beam are obtained by Galerkin’s method. The time response of the rotating beam subject to the external force is discussed. The possible resonant conditions resulting in divergent solutions are studied. The stability of the response, due to a travelling motion-dependent force, is determined by the method of multiple scales. The effects of varying the rotating frequency, the travelling speed of the external force, and the movement of the force are also investigated.     

Upgrading a microscope with a spiral phase plate

We present the implementation of a spiral phase plate in a standard bright-field microscope to enhance the contrast of phase and amplitude samples. The method can be employed in all types of microscopy where standard phase contrast methods are applicable, for example, in bright-field transmission or reflection microscopy using an illumination source with partial spatial coherence. The spiral phase filter is placed into an accessible Fourier plane of the imaging path of the microscope. It is shown that this produces not only a strong contrast enhancement but in theory also improves the spatial resolution of the microscope for white light. A series of different set-ups for transmissive or reflective samples, including epi-illumination, are presented to demonstrate the practical range of applications of this contrasting method. A minute shift of the spiral phase plate out of the centre results in relief-like images that are similar to those obtained by differential interference contrast microscopy. A series of such relief-like images can be numerically processed to obtain quantitative phase and amplitude information of the sample.     

完美涡旋光的自由空间传播特性

理想完美涡旋光束是一种光强分布不随拓扑荷数的改变而改变的特殊光束,与普通涡旋光束相比,其可以大幅提升在微粒操纵、光纤传输等方面的应用效率。为了探究完美涡旋光束的自由空间传播特性,利用汉克变换详细计算并分析了拓扑荷数、初始面光环半径以及环宽度对其衍射特性的影响,发现完美涡旋光束不具备无衍射特性,光环会随着衍射距离的增加而展宽并逐渐向贝塞尔函数转变。当初始面光环半径增加或环宽度减小时,衍射效应增强,其中环宽度的影响要大于光环半径。与前两者相比,拓扑荷数对衍射效应的影响较小。研究结果对完美涡旋光的进一步应用提供了有益的理论参考。     

具有精细结构的圆对称爱里光束的传输特性研究

为了研究具有精细结构的圆对称爱里光束的传输特性,通过减小与光斑宽度相关的参数w,使初始光场具有与波长相近的精细结构。在此特定情况下,用瑞利-索末菲衍射理论对圆对称爱里光束的传输特性进行数值计算。研究结果表明:随着参数w的减小,圆对称爱里光束的精细结构增加,使得代表高频成分的离轴光场影响逐渐增大并参与聚焦行为,焦点光强峰值增大,焦点主光斑的半高全宽减小,突然自聚焦能力得到显著提升;当w减小到某一阈值后,由于持续增加的高频分量进入到倏逝波,焦点光强峰值减小,焦点主光斑的半高全宽增大,突然自聚焦性能下降。     

Effect of axial force on free vibration of Timoshenko multi-span beam carrying multiple spring-mass systems

The situation of structural elements supporting motors or engines attached to them is usual in technological applications. The operation of machine may introduce severe dynamic stresses on the beam. It is important, then, to know the natural frequencies of the coupled beam-mass system, in order to obtain a proper design of the structural elements. The literature regarding the free vibration analysis of Bernoulli–Euler single-span beams carrying a number of spring-mass system and Bernoulli–Euler multi-span beams carrying multiple spring-mass systems are plenty, but that of Timoshenko multi-span beams carrying multiple spring-mass systems with axial force effect is fewer. This paper aims at determining the exact solutions for the first five natural frequencies and mode shapes of a Timoshenko multi-span beam subjected to the axial force. The model allows analyzing the influence of the shear and axial force effects and spring-mass systems on the dynamic behavior of the beams by using Timoshenko Beam Theory (TBT). The effects of attached spring-mass systems on the free vibration characteristics of the 1–4 span beams are studied. The calculated natural frequencies of Timoshenko multi-span beam by using secant method for non-trivial solution for the different values of axial force are given in tables. The mode shapes are presented in graphs.     

组合涡发生器在螺旋板式换热器上的强化传热研究

在螺旋板式换热器螺旋通道内设置三角翼和椭圆柱组合涡发生器,利用流体计算软件Fluent进行三维数值模拟。研究了Re为4000～7000内组合涡发生器对通道平均Nu和平均阻力系数f的影响,并应用场协同原理进行了分析。与只加装椭圆柱涡发生器的螺旋板式换热器进行对比,结果表明,纵向涡发生器产生的二次流能改善螺旋通道内的速度场与温度场的协同性,起到强化换热作用。在正三角形排列方式下,组合涡发生器通道的平均Nu比椭圆柱涡发生器的平均Nu增大8.7%,阻力因子f减小23.7%,强化换热的效果较好。     

二元位相型光栅分束器的改进设计方法

为改进传统分束光栅的设计中不考虑光栅的实际周期长度、光栅深度、基底厚度等因素对各透射级次光波振幅的影响,设计结果与实际制作光栅的分束效果相比差距较大的不足之处,基于矢量衍射理论,提出了光栅分束器的改进设计方法.改进前后的主要不同之处在于计算透过率函数时是否考虑光栅实际参数对入射光的影响.由于比传统方法的设计基础更严格,因而从与实验结果的对比情况看,改进方法提高了设计结果与实际情况的符合程度.     

衍射光多普勒频移的实验研究

为了证明由周期性造成的光的"负折射"现象不同于光的衍射现象,采用光学外差干涉法,对运动的平面光栅的衍射光进行多普勒频移的测量。通过对参考光引进频移的方法,让拍频值和参考光频移值对比确定衍射光所发生的多普勒频移的正负,验证了周期性的平面光栅当入射光与出射的衍射光在法线同一侧时发生的多普勒频移是正常的。说明仅由周期性造成的"负折射"现象,并不能产生反常多普勒效应;具有反常多普勒频移的周期性二维光子晶体才具有反常的等效负折射率,"左手"材料的反常性质并不仅是由于周期性造成的。