Influence of the Measurement Volume on the Phase Error in Phase Doppler Anemometry. Part 2: Analysis by extension of geometrical optics to the laser beam; Refractive mode operation

The influence of the measurement volume can be investigated by using extended geometrical optics, which is based on geometrical optics by including the amplitude and phase distribution in the laser beam. The dynamics in phase Doppler anemometry can be analysed, in addition to effects of the particle size-dependent detection volume. Extended geometrical optics has been developed as a powerful tool to investigate these influences for each order of light scattering separately. Phase errors caused by Gaussian-beam intensity distribution and the curvature of the wave fronts beyond the beam waist can easily be calculated. According to Part 1 (Reflective Mode Operation), the influence of the particle trajectories on measured phase and mass concentration is simulated for refractive mode operation.     

相位调制锁定光学谐振腔

通过对单频激光的相位调制，利用光学谐振腔的色散曲线得到鉴频信号，将一个环形谐振腔和一个驻波揩振腔锁定在激光的频率上。     

环形激光器反射镜相位延迟差测量方法研究

理论上推导出了环形激光器对Ｓ光和Ｐ光相位延迟差与其拍频峰对应的压电陶瓷电压差的关系式,分析了方形环形激光器对Ｓ光和Ｐ 光的频率响应特性,通过测量拍频峰电压差实现环形激光器反射镜相位延迟差测量。通过搭建环形激光器频率响应特性测试系统,从实验上验证了理论计算的正确性。结果表明,该方法测量误差小于１．５％,满足环形激光器反射镜相位延迟差测量要求。     

干涉仪测光波长移动所引入的相位误差

在理论分析的基础上,对国际上目前广泛采用的干涉法测量光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）传感系统中的光波长移动所存在的相位测量原理误差进行了实验研究,提出了双相位锁相放大器加动态补偿的测量方案。结果表明,直接用锁相放大器测量布拉格波长移动所对应的相位变化时,如果布拉格波长与其相关的锯齿波光程差幅值不相等,将产生准周期性的测量原理误差。假设扫描锯齿波幅值初始偏差为２０ｎｍ,那么测量原理误差将大到全量程的５％。如     

二元纯位相片实现半导体激光器到单模光纤的耦合

采用二元光学位相调制的基本思想，用二元纯位相型光学系统将椭圆高斯型激光束与单模光了佳耦合。采用两块纯 位相片来进行波前变换，将椭圆型高斯激光束转变成对称圆高斯激光束，并与单我纤的基模最佳匹配耦合。     

有振幅调制和相位畸变光束通过硬边光阑的M2因子

光束传输M^2因子是表征激光束的有用参量。利用矩形函数的复高斯函数的近似展开方法,给出部分相干光通过硬边光阑后强度二阶矩的近似计算公式,由此可得到部分相干光通过硬边光阑后的推广M^2因子。以有振幅调制和相位畸变光束为例,推导出相应的推广M^2因子的解析表达式,通过数值计算对提出的近似算法的计算精度进行了分析。研究结果表明,使用该近似方法计算得到的推广M^2因子的计算误差小于1％,且通过该方法可直接得到相应的近似解析计算公式,从而使计算得以简化,并有效地提高了计算效率。     

利用边缘相位校正实现光束整形的高精度优化

提出利用边缘相位校正的新方法,校正用追迹法设计的产生环形光束的衍射光学元件的相位分布,从而实现光束整形中的高精度优化。通过将高斯光束整形为环形光束,将该方法、G-S(Gerchberg-Saxton)算法和改进的G-S算法设计得到的整形结果作了比较,结果表明,G-S算法的整形结果虽然衍射效率最大,但是均方根值和最大偏差也太大;改进的G-S算法可以有效的降低均方根值和最大偏差,但衍射效率也有较大的下降;而用边缘相位校正可以在衍射效率略微下降的情况下,更大的降低均方根值和最大偏差,其整形结果是综合了衍射效率、均方根值和最大偏差这三个评价指标以后得到的最优化结果,已接近理想的环形光束。     

相位共轭谐振腔改善激光器波前像差特性研究

在高功率激光器中采用相位共轭谐振腔技术可以补偿动态波前像差,在校正畸变的输出光束方面有极其重要的应用。分析了相位共轭腔的模式结构特性及稳定性,在实际高功率激光器中采用相位共轭谐振腔,使得激光系统的光束质量得到了极大改善。通过实验数据分析,提出在激光器系统中描述光束质量只用PV值和RMS值来量度是不足的,并利用结合光束环围能量分布图像和平均离焦系数来评价系统光束质量。实验结果表明,采用相位共轭谐振腔使得焦平面环围能量更为集中,同时平均离焦系数更接近零,结合上述方法评价系统光束质量更具实际意义。     

Particle Imaging Using a Transmission Wide‐Field Phase Confocal Microscope

A phase‐sensitive wide field transmission microscope, combining the advantages of both interferometric and confocal techniques, has been developed and applied to analysis of particulates, both in dry powder form and in suspensions. The microscope has also been used in detecting defects in crystals. Confocal operation is achieved by superimposing speckle illumination of a reference beam in a Mach‐Zehnder interferometer with a matched speckle pattern of the object beam. It is shown that the phase measurement enables particle size to be determined even when the particle is smaller than the focal spot size. The data acquisition time is below 1ms, making the system suitable for dynamic process measurement. The experimental results are in good agreement with modelled results giving rise to the possibility of simultaneous determination of both the size and refractive index of small particles.     

The phase mode of reflected beam from laser retroreflector with dihedral angle and flatness error

The phase mode of reflected beam (PMRB) is the most important factor for determining the far field diffraction pattern (FFDP) with laser retroreflector (LR). Based on the structure of LR and ray tracing method, the additional optical path difference of the light beam with various incident angle passed through no ideal LR is induced. Combined with the expression of incident beam, the mathematical PMRB is established for LR with dihedral angle and flatness error under different incident beam conditions. The FFDP with the phase mode is simulated for Champ laser retroreflector, which validates the correctness of PMRB.     

Simulation of BEPCⅡ′s BPM

Considering the effect of photoelectron, BEPCⅡ′s beam position monitor (BPM) uses antechamber structure. The cut-off frequency of TE mode is maybe lower than the BPM signal processing frequency 500MHz. The power of TE mode will result in beam position measurement error. With monitoring the antechamber's TE mode power amplitude and calculating the transmission of TE mode power to BPM's electrodes, we can calculate the error of position measurement caused by TE mode. We found that the error is beyond the acceptance when the cut-off frequency of TE₁₀ mode is lower than 500MHz. By changing the slot length, the cut-off frequency is higher than 500MHz and the error could be accepted. At last the effect of the wakefield to the beam has been simulated and the longitudinal impedance of wakefield has been calculated.     

Field properties and vacuum electron acceleration in a laser beam of high-order Laguerre–Gaussian mode

The electric field intensity distribution and the phase velocity distribution of high-order Laguerre–Gaussian (LGρ?) mode laser beams are analyzed. Using three-dimensional test particle simulation, the numerical results of electrons accelerated by LG00, LG40 and LG41 mode laser beams are presented. Compared with the LG00 mode (the fundamental mode) laser beam, low-energy injection electrons can be more favorably accelerated in a high-order LG mode laser beam. Contrary to anticipation, a high-order LG mode laser beam with intense axial electric field distribution is inferior to the LG00 mode in capture acceleration for electrons with high injection energy.     

多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关.对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况.采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求.分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀.研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考.     

高光束质量垂直腔面发射激光器同相耦合阵列

质子注入型面发射激光器相干耦合阵列能够实现同相模式的激射,但是由于制作过程中的工艺不均匀性引起单元间存在相位差,影响光束的质量。本文通过设计分离电极结构,使每个单元注入的电流得到分别的控制,实现了3单元三角排列阵列高光束质量同相耦合模式的激射。阵列远场发散角仅为3.4°,大约有25.6%的全部能量聚集在中心光斑。激射光谱的线宽为0.24 nm,边模抑制比为27 dB。该方法能够有效提高相干耦合阵列的光束质量,弥补制作工艺中引入的单元不均匀性,提高器件的可靠性和实用性。质子注入方法简单、成本低,能够成为制作高光束质量相干耦合阵列的一个重要方法。     

非PLL相位平均型参考线原型验证

射频相位参考线是粒子加速器的重要组成部分之一,为射频低电平控制系统(LLRF)、束流诊断系统、定时系统等提供稳定的相位锁定参考信号。为减少远距离传输过程中由环境温度变化导致的射频传输线中的射频相位漂移,多个加速器装置中已经采用射频相位参考线提供射频相位参考,这些相位参考的实现方案主要是基于恒温控制和基于光纤锁相。与这些方案相比,采用相位平均方法不仅可以保持长距离节点之间的相位稳定,而且更易于现场安装与维护。现有的带有锁相环(PLL)的终端短路方式实现相位平均参考线的方案仍有一些节点数量限制等方面的不足,本文对相位平均参考线结构进行了去除PLL的简化设计并进行了验证,以期增加更多的相位分配节点以及降低对射频器件参数的要求。对非PLL的单端输入终端短路相位平均方案与两端输入各节点间互为参考的相位平均方案分别进行了实验测试,结果表明两者的相位RMS精度可以达到0.1°~0.3°。并对不同的相位平均实现方案中相位不稳定的产生原因进行了分析,结果表明,除环境温度外,同轴线缆材质、合成相位与幅度的不平衡合成等也是重要影响因素。     

相移相位测量的全息再现算法及测量误差分析

用全息原理和方法研究相移相位测量,得到了N步整周期相移再现物光波复振幅同步叠加函数(N步相移函数),同时提出一种新的相移相位测量误差分析和最大误差估计方法。N步相移干涉图是以理想平行光为参考光的无衍射同轴全息图,将其与对应的相移参考光相乘后求和得到N步相移函数;在理想情况下,这是一种复振幅分离、测量和物光波复振幅函数同步叠加方法,存在误差时计算出的相位是最小二乘方法的最佳期望结果。利用N步相移函数得到的N 1步相移函数,说明非理想N步相移函数是理想N步相移函数与误差函数之和,可以把相位型误差转化为与振幅和强度相对误差同等的误差来对待,降低了相位测量中误差估计的难度,给出了N步相移算法最大误差的估计方法和公式。     

光纤干涉成像阵列全息相位校正研究

针对光纤传输和干涉成像阵列中的相位误差, 提出了一种基于特殊光子晶体的全息相位校正方法。首先分析了光纤干涉阵列成像的基本原理和相位信息的传输过程, 以一维线性阵列建立成像系统相位误差模型, 通过对参考光束和探测器前的快门交替打开和闭合, 来分别实现在晶体上写入由光纤阵列的出射光束与参考光束干涉形成的含有相位误差的光栅函数, 和光纤中出射光束被该光栅衍射和相位偏移以消除相位误差, 从理论上分析了上述基于光子晶体的全息法相位校正原理。最后采用所建立的含有相位误差的干涉阵列进行成像仿真, 对未加校正、采用本文方法和采用冗余基线校正的结果进行了对比分析。     

新型傅里叶变换光谱探测系统相位误差校正方法

为了降低基于MEMS(micro-electro-mechanical systems)微镜的傅里叶变换光谱探测系统复原光谱仪的畸变,提高复原光谱的质量,减小系统相位误差的影响,提出了一种系统相位误差的修正方法。首先分析了基于MEMS微镜的傅里叶变换光谱探测系统中相位误差的主要来源,分析结果表明：该新型傅里叶变换光谱探测系统的相位误差来源于光程差的零点漂移,该相位误差可以通过改进该系统干涉仪的结构引入过零采样并利用Mertz乘积法进行修正。搭建了光谱探测系统的实验平台,对该相位误差校正方法进行了实验验证,实验结果表明：采用了改进干涉仪并利用Mertz乘积法校正误差后的光谱探测系统所测得的复原光谱质量得到明显改善,去除了原复原谱畸变产生的负峰,且旁瓣得到明显抑制。该相位误差校正方法能够很好的降低相位误差对系统性能的影响,能够有效地提高系统的光谱探测性能。在提出的基于MEMS微镜的新型傅里叶变换光谱探测系统的基础上,分析了该系统相位误差的来源,提出了一种系统相位误差的修正方法,提高了系统的光谱探测性能。     

Phase shift upon resonant coupling into a thin corrugated optical waveguide

The coupling of light into a waveguide by a surface grating leads to the attenuation of the transmitted beam when the resonant modes of the waveguide are excited. These can be tuned by changing the incident angle or the wavelength. Upon excitation of a mode, the transmitted beam experiences a significant phase shift that can be measured and compared with that predicted by the Kramers-Kronig relations.     

Phase compensation of laser beam modes

A technique is described for improving the propagation characteristics of high order laser beam modes. A thin phase plate inserted in the beam forces all portions of the wave front to oscillate in phase and yields a substantial improvement in the far field intensity distribution. Depending on the mode order, the peak intensity at a distant target may be readily increased by more than a factor of ten.