基于无波前传感的菲涅耳透镜像差校正实验

为提高薄膜菲涅耳透镜成像性能,采用无波前传感的自适应光学系统对菲涅耳透镜点目标成像的波前像差进行实验校正.像差校正控制采用随机并行梯度下降算法,以远场光斑像清晰度函数为优化指标,算法迭代数十次后收敛.系统闭环校正后,焦平面光斑等效半径缩小了43%,二阶矩为0.997 5,接近理想极限1,像清晰函数值和峰值光强提高了一倍,光强的半高全宽达到1.2倍衍射极限,调制传递函数的中频分量显著提高.实验结果表明该方法结实现构简单,能快速、有效地校正菲涅耳透镜波前像差,改善系统的成像性能,可应用于大口径、轻量化的空间望远镜.     

用菲涅耳理论研究衍射光路可逆性

 用菲涅耳衍射理论研究了光栅及双光栅成像系统衍射光路的可逆性。首先用菲涅耳衍射理论分析单片光栅衍射光的复振幅分布,根据其复振幅分布的相位关系研究其可逆性;再根据单片光栅衍射光路所具有的结论来分析双光栅衍射成像效应的衍射光路可逆性,得到了光栅衍射光路及双光栅成像系统光路具有部分可逆性;应用衍射光路的部分可逆性诠释了双光栅成像效应的本质及光栅的汇合光谱特性是色散光谱特性的逆效应,并根据衍射光路具有部分可逆性的特性实现了图像处理。     

显微数字全息中物光波前重建方法研究和比较

根据全息理论和线性系统理论,采用离轴无透镜傅里叶变换全息记录光路,对利用菲涅耳近似法、基于瑞利—索末菲衍射积分的卷积法以及角谱理论方法数值重建全息图进行了比较研究,并做了计算机模拟验证.结果表明：菲涅耳近似法和角谱方法重建像质比较好,且菲涅耳方法重建速度快；在记录距离极小的情况下,尽管记录距离不满足通常的菲涅耳近似条件,菲涅耳近似公式仍然成立；自由空间脉冲响应的快速傅里叶变换的性质与距离有关,由卷积方法得到的再现像只在某一特定距离下比较理想；对于极小物场、大孔径显微数字全息来说,菲涅耳近似重建方法是较为有效的方法.     

数值法研究光的圆孔衍射实验现象

在平行平面波近似的情况下,数值法求解菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,得到平行平面光波通过圆孔衍射后的光强分布图.通过对纵向及横向光强分布图的数值分析,验证了轴上点光强由菲涅耳数决定,菲涅耳数大于1时为菲涅耳衍射区,菲涅耳数小于1时为夫琅禾费衍射区.在近场,光强分布为明暗相间的环形条纹;在远场,光束演化成束腰位置在圆孔处的高斯光束,仿真结果与理论和实验结果基本一致.本仿真结果将光衍射的抽象理论直观化、可视化.     

用光线矩阵元表达的菲涅耳数

导出了复杂光学系统中任一观察面对入射面光阑的菲涅耳数表达式N=(a(?)-(?))[(A/B) (l/R)].它是用光学系统的光线矩阵元表示的,具有较大的普遍性.引入了有效传输距离的概念:L_(eff)=B/A,它反映了光学系统对衍射场的影响.对一些常见的典型光学系统给出了菲涅耳数的具体表达式.对高功率激光系统中真空空间滤波器的像传递作用给出了理论证明,并导出完善像传递的必要条件.最后,把菲涅耳数推广到复数域,并用于研究截断高斯光束的衍射问题.     

菲涅耳数字全息成像系统的焦深

焦深是表征成像系统性能的重要参数.基于透镜相干成像的焦深判据,利用数值积分和计算机模拟的方法,分析和推导了菲涅耳数字全息成像系统的焦深,给出了相应的焦深表达式,并与利用理想成像四分之一波像差的判据得到的焦深进行了比较.结果表明:菲涅耳数字全息成像系统的焦深不同于透镜相干成像系统的焦深.在记录距离和CCD参数一定的条件下,离轴菲涅耳数字全息成像系统的焦深略大于同轴菲涅耳数字全息的焦深;离轴对称偏置情况下的焦深略大于非对称情况下的焦深.利用像强度判据得到的焦深,能够较好地表征数字全息成像系统的性能.     

线宽误差对菲涅耳透镜衍射效率的影响

基于标量衍射理论,首先得出存在线宽误差情况下4阶菲涅耳透镜衍射效率的解析式;并以 4阶、8阶和16阶菲涅耳透镜为例,进行计算机模拟计算并系统分析线宽误差对菲涅耳透镜衍射效率的影响。通过实验测量16阶菲涅耳透镜的线宽误差,分析其对16阶菲涅耳透镜衍射效率的影响。模拟计算结果对多阶菲涅耳透镜的制作提供重要的理论指导。     

用增加频带宽度的方法提高钕玻璃高功率激光器输出功率

阐明了影响固体激光器输出功率的根本原因是自聚焦效应,而菲涅耳衍射产生的空间高频调制是加速自聚焦过程的重要因素.为了消除硬边光阑产生菲涅耳衍射,作者建议采用宽频带激光,并用实验演示了其消衍射效果.     

双面菲涅耳聚光镜设计

为了减小光伏发电聚光系统的轴向尺寸,使聚光系统的厚度更薄、质量更轻,讨论设计了一种透射式双面菲涅耳聚光镜。通过设计,使光线在通过双面菲涅耳聚光镜的前表面环带后进入相应的后表面环带,减少了光能损失,使太阳能电池获得的能量密度更高。推导并给出了双面菲涅耳透镜的后表面环带设计公式。用光学设计软件Light Tools模拟了双面菲涅耳聚光镜的光学能力,并对模拟结果进行了分析评价。给出了一个口径为200 mm,焦距为120 mm,F数为0.6的双面菲涅耳聚光镜设计实例,在波段为380~760 nm,太阳张角为0.55°时,聚光系统的聚光效率达到85%,与相同口径相同焦距的传统菲涅耳透镜相比,聚光效率提高了21.1%。     

表面反射对菲涅耳透镜的影响

使用薄膜沉积法制作16阶菲涅耳透镜,用它代替常规的光学透镜可实现系统的轻量化,小型化,并增加系统设计的自由度,在标量衍射理论的基础上,应用菲涅耳公式和傅里叶变换分析SiO2薄膜和基底的表面反射对菲涅耳透镜－1级衍射效率的影响,结果表明表面反射对菲涅耳透镜的成像质量影响较大,可以通过蒸镀增透膜来减小这种影响。     

衍射微透镜列阵在Shack-Hartmann波前传感器中的应用

菲涅耳衍射微透镜列阵是目前广泛应用的衍射光学元件之一,它是基于衍射原理,由计算机设计,并通过微细加工技术制作成的.本文介绍了8相位台阶菲涅耳衍射微透镜列阵的制作方法,并描述了一个用16×16微透镜列阵形成的小型 Shack-Hartmann 波前传感实验系统,用该系统可对入射波前进行测量和重建.     

宽频带激光自由空间传输的调制特性研究

基于惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,研究了宽带光束在菲涅耳衍射区的自由空间传输特性,得到宽带光束传输的调制深度与光束带宽Δλ及菲涅耳数F的变化关系。结果表明:一定的带宽对光束的均匀性有适当的改善;当光束的带宽Δλ<2λ0/F时,带宽越大,光束越均匀;当带宽满足条件Δλ=2λ0/F时,菲涅耳衍射完全消失;在一定的菲涅耳数范围内,宽带光束的调制深度随菲涅耳数振荡变化,振荡曲线的主极大值和次极大值分别出现在菲涅耳数为奇数和偶数处,而极小值则出现在菲涅耳数F=2k±1/3(k=1,2,3,…)处,在极小值处光束的均匀性最好。     

菲涅耳微透镜行列阵衍射效率的测试与分析

归纲了目前二元位相型菲涅耳微透镜列阵衍射效率测试中所用各种衍射效率的不同定义，提出规范定义的建议。并设计了测量衍射效率的系统，方法简单易行，适于测试具有微小单元尺寸的菲涅耳微透镜列阵的衍射效率。     

环状光束通过透镜的聚焦特性研究

给出了环状光束在柱坐标系下的一种描述模型,并利用广义衍射积分理论,推导出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式.在此基础上,通过数值模拟方法定量分析了环状光束的聚焦光强分布以及焦面处的桶中功率.研究结果表明,环状光束的聚焦特性与光束阶数以及系统菲涅耳数有关;环状光束在实际焦面和几何焦面上的桶中功率均随着遮拦比的增大而降低,而随着系统菲涅耳数的增大而增大.在实际工作中,通过合理地选取系统菲涅耳数和光束遮拦比可以有效地控制环状光束聚焦后的光束质量.     

折/衍混合单透镜在目镜中的应用研究

以传统凯涅尔目镜为基础，采用ZEMAX软件，设计了衍射面位于目镜系统中不同位置时的折／衍混合目镜系统，所有系统均仅采用最普遍的K9玻璃，设计结果与传统凯涅尔目镜的光学性能进行了分析和比较。结果表明折／衍混合目镜系统在校正目镜的像差，例如像散，垂轴色差、垂轴像差，轴向像差和轴向色差等方面优于传统的凯涅尔目镜，选择合适的衍射面位置，可以同时获得符合要求的畸变，衍射面的引入，极大地减小了系统的重量和尺寸。     

光学系统中的光栅衍射自成像现象:广义的Talbot效应

本文基于菲涅耳-克希霍夫(Fresnel-Kirchhoff)积分推导了在菲涅耳(Fresnel)近似下,光栅在光学系统中的衍射自成像现象:广义的Talbot效应。并把几何成像归结为Talbot成像的一个特殊情况。依据广义Talbot公式,讨论了在平行光、球面波照明时,光栅的衍射自成像特点。最后,用干涉观点解释了光学系统中的衍射自成像现象。     

包含波面校正的四程放大系统的准直问题研究

为了解决高功率激光系统中, 尤其是多程放大系统中波前畸变校正和光路准直之间的相互干扰问题, 针对包含自适应光学系统的四程放大系统, 利用菲涅耳衍射积分理论, 建立了310 mm×310 mm大口径光束的四程传输模型, 采用坐标扩展变换的方法解决了传统计算中同时需求近、远场高分辨率带来的计算量过大问题; 基于此模型, 比较了质心法、圆拟合法和纯相位匹配滤波等三种图像处理算法对存在波面差的光束的远场中心的处理精度; 分析了波面校正对焦斑位置的影响; 本文内容为四程放大系统准直调整方案的优化提供了重要依据. 关键词： 光束准直 坐标扩展变换 自适应光学 四程放大     

轴棱锥产生无衍射光束自再现特性的几何光学分析

由几何光学方法分析轴棱锥产生无衍射光束自再现特性,很好地解释了无衍射光束自再现的形成原理.在菲涅耳近似条件下,利用菲涅耳衍射理论可以对光传输进行很好地描述;而光束经过障碍物后的很小距离内,菲涅耳衍射近似条件已不满足,衍射理论不再适合描述光束的传输特性,这时可以利用几何光学分析光束传输特性.首先从几何光学角度对轴棱锥产生无衍射光束的自再现特性进行了详细的描述,并对光束传输进行仿真,最后通过实验验证轴棱锥产生无衍射光束的自再现特性,实验结果与理论分析相符合. 关键词： 无衍射光束 几何光学 轴棱锥 自再现     

菲涅耳-基尔霍夫积分与半波带法分析衍射光谱

惠更斯菲 涅耳原理指出光的衍射本质是无穷多次波的相干叠加.在研究衍射光谱的强度时可使用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分进行计算,但该积分的计算较为复杂.为了简化计算而引入菲涅耳半波带的概念,把积分运算简化为振幅矢量的叠加,从而在研究衍射时由菲涅耳-基尔霍夫衍射积分过渡到菲涅耳半波带法.在菲涅耳半波带法中波前上相邻两个半波带到达叠加点的光程差为半个波长,从而导致相位差π.因此相邻两个半波带引起的振动在叠加点发生相消,最终叠加点的光强由发出次波的半波带数目的奇偶性决定.奇数个半波带在叠加点的光强得到加强,偶数个半波带在叠加点的光强发生相消.     

基于深度学习的离轴菲涅耳数字全息非线性重构

针对离轴菲涅耳数字全息图,提出基于深度学习的单幅数字全息非线性重构方法 .采用经典的菲涅耳衍射积分模拟数字全息成像以供给网络训练所需样本,利用深度卷积残差神经网络通过学习数字全息图与相关物像之间的非线性数学映射关系实现全息图的物像重构.数值模拟表明,与传统的频率滤波和四步相移技术实现菲涅耳数字全息重构相比,本文提出的方法可直接消除零级像及孪生像,无需条纹物项抽取预处理步骤,且重构的物像具有较高的质量,针对相同记录参考光下不同衍射距离所生成的测试集亦具有较强的稳健性.