光镊中油浸物镜数值孔径利用率的研究

本文利用光线光学模型,对使用高数值孔径的油浸物镜时,由于折射率的不匹配引起球差,导致光阱捕获力下降的物理原因进行了分析,引进了数值孔径利用率这一参数,并给出了具体计算公式。进而在不同条件下进行了数值计算,给出了数值孔径的利用率与光阱纵向刚度系数的依赖关系。     

基于MATLAB的单光阱光镊中光阱力的分析

在几何光学近似下,对米氏球状粒子所受轴向光阱力进行了数值计算。仿真结果给出了轴向稳定捕获区域和光阱力与光镊系统主要参数的关系。分析表明,激光束束腰半径越小,势阱越深;相对折射率、激光波长、功率等参数对光阱力也有一定影响。数值仿真为实验中参数的选择提供了依据。     

基于MATLAB的光镊实验界面开发

本文基于MATLAB对光镊操纵米氏球状粒子的轴向光阱力和横向光阱力特性进行模拟,并通过设定连续变化的光束束腰半径、相对折射率、激光波长及功率等系统主要参数,对光阱力特性进行模拟分析,同时实现对横向光阱力进行程序化的定量计算.     

粒子的轴向位移对光阱力学参数标定的影响

作为力探针的光阱有两个重要参数，在垂直光束轴的横向上的刚度和逃逸力。对它们的标定精度直接影响到光阱测力的精度。利用信息熵方法，研究了基于流体力学法标定的光阱刚度和光阱逃逸力。结果表明，光阱中的小球在不同横向速度的水流作用下，不仅有横向位移，而且有不同的轴向位移，即所标定的光阱刚度不是同一水平面的光阱刚度，而是一定轴向范围内的平均横向刚度。这是流体力学法标定光阱横向刚度的主要误差来源之一。在逃逸速度下小球从光阱中沿轴向向上逃逸，所以这样测得“代表光阱的捕获能力的参数——光阱逃逸力”只是在轴向逃逸的临界条件下的横向光阱力（等待此时的横向粘滞力），小于最大横向阱力。     

聚焦余弦平方高斯光束的梯度力

利用Collins公式推导了余弦平方高斯光束（CSGB）通过无光阑透镜光学系统聚焦后的光强分布及梯度力表达式。通过数值模拟讨论了光束参数、光束入射距离及系统菲涅耳数的变化对梯度力分布及光阱的数量、位置及尺度的影响。结果表明,光束相关参数越大光阱的数量越多,光阱的位置随光束入射距离而改变,系统菲涅耳数增加光阱尺度减小,而位置不变。     

T矩阵在光扭矩分析中的应用

在一定条件下经过高数值孔径聚焦后的激光可以捕获微米量级的微粒,这种技术称为光镊。光阱与捕陷粒子间存在角动量传递会产生光扭矩,采用T矩阵方法实现了显微量级光扭矩的测量。仿真结果验证了T矩阵方法的计算高效性,同时分析了光阱参数对光扭矩效率的影响,为光扭矩的实际应用提供了理论依据。微光扭矩的测量具有广阔的应用前景。     

激光微束对球状介质粒子光阱力的计算与仿真分析

基于几何光学原理,以射线光学计算模型为基础,对几何尺寸远大于光波长的米氏球状粒子所受轴向光阱力进行了计算。在给定参量条件下,进行了数值仿真,并根据仿真结果,讨论了光束束腰半径、相对折射率、激光波长及功率等系统主要参量与光阱品质特性的关系。这些参量都是由显微镜和其他一些光学部件的特性所决定的。针对不同介质粒子合理选择上述参量,以得到较大光阱力和光阱刚度。这些仿真结果为各仪器参量的选择提供了理论依据。     

光镊光阱力计算方法的研究

介绍了一种光镊光阱力的计算方法,并对微粒在已知参数条件下所受的光阱力进行了仿真,深入分析了光阱力和与之相关的光束束腰半径、相对折射率、激光功率等系统参数的关系,对不同参数条件下的光阱力进行了讨论,从而验证了系统参数对光阱力的重要影响,此外还对电磁学模型的光阱力计算进行了阐述。     

光纤光阱力计算的近似条件及误差分析

光纤光镊技术利用光纤出射的光束捕获和操控粒子,其飞速发展对光阱力的理论研究提出了更高的要求。采用射线光学模型对光纤光阱中的米氏微球所受到的光阱力进行数值模拟,讨论了光阱力计算中可采用的近似条件及其应用范围,比较了在近似条件下与直接计算情况下结果的差异,分析了微球与光纤端面之间的距离对近似计算的影响。理论分析和模拟计算表明,当微球与光纤端面之间的距离大于临界值时,可对计算模型中光束在微球表面的入射角、入射点的方位角等角度参量作近似处理,该结论为简化光纤光阱力计算提供了理论依据。     

高斯光束经过球差环形透镜的聚焦

本文讨论高斯光束经过球差环形透镜的聚焦。推导并得到了聚焦光场轴上点的光强分布的表示式。并对其进行数值计算。数值计算结果表明,对于负球差的情况下,得到的光强的最大点位置（最佳聚焦点）相对于无球差情况,往透镜方向移动,即焦移增大;并且,最佳聚焦点的光强较无球差时大,当球差环形透镜的中心拦截比ε取一定值时,得到的轴上点光强最大值远大于无球差时的光强最大值。此外,当透镜具有正球差时,聚焦光场的光强最大点（     

球差在平场全息凹面光栅设计中的作用

基于平场全息凹面光栅几何像差理论,分析了初级像差与高阶像差特别是球差对平场全息凹面光栅成像的作用。通过一个具体的设计,分别讨论宽波段光栅和窄波段光栅设计中校正球差与否对设计结果的影响。通过对光谱像大小和各种像差系数大小进行对比分析得出以下结论:宽波段平场全息凹面光栅像差较大,决定光谱像大小的主要是初级像差,球差的影响难以显现,在进行光栅设计时可以不考虑球差;窄波段光栅的离焦像差较小,球差的影响开始变得显著,此时在设计过程中考虑球差的校正能够进一步改善光栅的成像质量。     

光学系统中白宝石分光镜的热变形像差分析

以光学系统中的白宝石分光镜为研究对象,利用有限元方法和Zernike多项式对其热变形像差进行了计算和拟合,分别对入射激光的反射相移和信标光的透射相移进行了研究和分析。入射激光的反射相移的主要像差为离焦项;信标光的透射相移的主要像差包含离焦项和主球差项,而主球差的引入主要是由于在激光入射区域边界上轴向温度分布的不均匀性。利用像差比率γnm直观反映入射激光的吸收功率与反射激光和透射信标光的像差的关系,对入射激光而言,其离焦比率γ20=0.0393;对信标光而言,其离焦比率γ20=-0.0011,主球差比率γ40=-0.0033。     

星间光通信中球差和彗差对信号光远场特性的影响

星间光通信中,波前畸变是影响信号光远场特性的主要因素。分析了球差和彗差对信号光远场分布、天线接收光功率的影响,引入了畸变衰减因子,给出了畸变衰减因子与波前畸变均方根(RMS)值的关系。理论分析和数值仿真结果表明,球差和彗差畸变越大,对天线接收功率的影响越大。在天线对准的条件下,当彗差和球差畸变均方根值分别约为0.120λ和0.135λ时,天线的接收功率为无畸变时的1/2。彗差对天线接收功率的影响主要是峰值移动造成的,球差对天线接收功率的影响主要是次峰的增强造成的。     

Radiation Field Limitation of Spherical Reflectors Using Gregorian Correctors

Use is made of the Fourier integral to derive an expression for the radiation field of spherical reflectors which are corrected for spherical aberration with the use of a subreflector. Calculations for some cases of interest show the sidelobe radiation to be 5.6 dB higher than in a uniformly illuminated aperture.     

一种获得平顶激光光强分布的方法

从Huygens-Fresnel衍射积分出发,计算高斯光束经过初级球差透镜聚焦之后的衍射光场.数值结果表明,当透镜的球差系数为负时,在聚焦光场的两个位置,得到了平顶激光光强分布.还讨论了透镜的菲涅耳数对平顶激光光强分布及其出现位置的影响.结果表明,透镜的菲涅耳数愈小,出现平顶激光光强分布的位置愈往聚焦透镜移动.并且,当透镜的菲涅耳数较小时,平顶激光光强分布的顶部呈现光强调制.计算结果表明,负球差透镜可作为获得平顶激光光强分布的简单方法.     

装夹方式及预紧力对透镜像差特性的影响规律

高精度光刻物镜中的光学透镜在自身重力以及装夹预紧力的作用下,面形会发生变化,从而会对光学系统各种像差造成影响。在考虑透镜自重的情况下,研究了镜片夹紧方式及夹紧力对其像差的影响规律。分别在镜片顶面和侧面施加2～6点均布、均匀载荷,且每种加载情况下夹紧力线性增大,通过有限元仿真计算出各种受力情况下的镜面变形;将变形量数据用66项标准Zernike多项式进行拟合,分析载荷均布点数以及载荷力大小对透镜像差的影响。分析结果表明:各种加载工况下透镜像差中的重要影响项皆为平移、离焦、球差和n-foil(n为均布载荷点数);重要影响项所对应Zernike多项式的系数变化与夹紧力变化呈线性关系。分析结果为补偿透镜像差提供了依据,并能指导像差校正的透镜设计。     

基于衍射理论的高斯像面球差的计算与分析

为了利用波动光学的衍射理论分析处理球差,采用先计算像点的光强分布再进一步分析处理球差的方法,对球差进行了理论分析和模拟。从基于点源圆孔衍射的成像原理出发,经过适当推导得到高斯像面上仅有球差像点的光强分布的解析计算式,分析探讨了高斯像面上球差的衍射机理及其计算与校正。结果表明,这种方法能够更为精细地分析处理球差,有助于在光学设计中对球差进行像差平衡与校正、光学加工中对球差的检测与修正以及数码成像时对球差做电子校正等,有利于促进激光技术和微光学以及微光机电系统的发展。     

The diffraction theory of large-aperture spherical reflector antennas

The field along the axis of a spherical reflector is determined from the geometry of the system rather than from each term of the aberration taken separately. The procedure shows how the field distribution changes from the case of small aberration, where there is a well-defined focus, to the geometric optics limit. A spherical reflector becomes an efficient antenna when a set of feed elements is located along the axis to reduce the effects of spherical aberration. The number and position of these elements is dictated by the size and curvature of the reflector and the allowable distortion of the wavefront.     

利用球差透镜获得超衍射极限聚焦

从ＨｕｙｇｅｎｓＦｒｅｓｎｅｌ衍射积分公式出发,得到了高斯光束经过球差透镜聚焦之后聚焦光场的光强分布的表示式。数值计算结果表明,当透镜存在负球差时,可获得超衍射极限聚焦,即得到的聚焦光斑比高斯光束经过无球差透镜聚焦而得到的聚焦光斑还小。并且,透镜的负球差系数越大,得到的聚焦光斑越小。相反,当高斯光束经过正球差透镜聚焦,得到的聚焦光斑比无球差时大。透镜的球差系数愈大,得到的聚焦光斑愈大。讨论了透镜的球差对轴上光强最大点（最佳聚焦点）的影响。