相干光经过不透明散射介质的聚焦

由于散射介质的散射特性,入射光通过散射介质后相干性受到破坏形成散斑场,使得传统光学成像系统无法聚焦探测内部物体的信息。根据波前整形原理,通过反馈优化算法调控入射光束的相位,在目标位置处将散斑调制为聚焦光斑,光强增强。基于此方法,在实验上搭建实验平台,对空间光调制器(SLM)的每个像素加载系列等间隔相位,一次采集多幅散斑图像,应用局部最大优化算法实现对光束任意点聚焦,并提出了一种得到不同大小区域的均匀的聚焦光斑的新方法,为实现聚焦平面内的目标成像提供了新思路。     

基于振幅分束调制的相位恢复成像技术

提出一种分束调制技术来实现高精度单次曝光相位恢复成像,将待测光束用二维光栅分成一组彼此相同的衍射光束簇,并同时入射到一个结构已知的调制板上,当调制板为弱衍射物体时,在探测器上形成一组彼此相分开的衍射斑阵列。联合这些衍射光斑和弱衍射物体的透射函数,可通过一次曝光迭代计算出待测量光束的强度和相位信息,同时具有Gergberg-Saxton算法等单次曝光方法的成像速度快和相干叠层衍射成像算法等扫描成像技术的高信噪比和高精度等优点,对X射线成像和高功率激光光束在线监测等领域有重要的实用价值。     

基于黄金分割法改进反馈波前整形技术实现散射光的聚焦EI北大核心CSCD

通过对入射光束的相位进行调控,可以将激光经过散射介质的散斑调制为聚焦光斑。提出了基于黄金分割法改进反馈波前整形技术的方法,实现了光束经散射介质的聚焦。理论分析了黄金分割法相比现有的顺序算法在搜索单峰函数极大值时的优势,并对散射聚焦过程进行了数值模拟。结果表明,当改变总调制单元数和单个调制单元的相位调制精度时,采用黄金分割法调制相位相比于顺序算法,在调制速度上具有一定优势。     

基于黄金分割法改进反馈波前整形技术实现散射光的聚焦

通过对入射光束的相位进行调控,可以将激光经过散射介质的散斑调制为聚焦光斑。提出了基于黄金分割法改进反馈波前整形技术的方法,实现了光束经散射介质的聚焦。理论分析了黄金分割法相比现有的顺序算法在搜索单峰函数极大值时的优势,并对散射聚焦过程进行了数值模拟。结果表明,当改变总调制单元数和单个调制单元的相位调制精度时,采用黄金分割法调制相位相比于顺序算法,在调制速度上具有一定优势。     

基于数字微镜阵列光调制的激光防护系统

提出一种基于数字微镜阵列(DMD)的激光防护系统设计方案, 利用DMD的光调制作用减少强激光对光电成像设备的损坏.详细介绍了系统的工作原理、DMD及CCD的选型、投影光路和光学转换系统的设计, 运用相移莫尔法进行了图像像素的调校.模拟实验结果显示, 该系统可在不同光斑半径和光强的条件下成功识别激光光斑中心点的像素坐标和半径, 实现对光斑对应区域的微反射镜控制, 激光光强可衰减70%以上.     

基于相位调制的复值物体压缩关联成像理论研究

在关联成像方案中,通过强度关联可在参考臂上获得目标物体振幅信息,却不能恢复出目体物体的相位信息,而相位常常包含了目标物体的一些特殊信息.本文提出了一种新的关联成像方案,能够恢复出复值透射物体的振幅和相位信息.该方案通过分束器及π/2变相板在接收端分离出复值物体的实部和虚部信息,再利用二阶关联成像过程分别获得目标物体的实部和虚部信息,从而恢复出复值物体;在此基础上,利用压缩感知重建算法,获得了基于相位调制的复值物体的压缩关联成像方案.研究结果表明该方案可适用于一般化的复值物体恢复,也可克服测量次数多、重构时间长等目标物体重建问题.对于一般具有高斯分布的复值物体可用约奈奎斯特采样率的36%的测量次数获得振幅和相位恢复均方误差值约为10-2的高质量重建复值物体.     

自聚焦透镜的傅里叶变换性质及成像性质

对自聚焦透镜的二维傅里叶变换性质,成像性质以及脉冲响应作了系统论述.并从理论上对自行研制的自聚焦透镜的光斑尺寸进行了计算.在不考虑像差的情况下,直径为1.8 mm的透镜其出射光斑直径为1.2 μm,利用狭缝扫描法进行了实际测量,测量值为1.5 μm,理论值与实验值基本吻合,从而说明理论分析的合理性.     

相位环形统计矢量对提高全聚焦成像质量的影响

为进一步提高超声全聚焦的成像质量,提出一种基于相位环形统计矢量的全聚焦成像方法。首先,在全聚焦实施过程中提取全矩阵数据中信号的相位信息。然后,将同一聚焦像素点的相位视作环形分布的统计样本,通过饱和状态加权统计构建由幅值和相位分布共同决定的相位环形统计矢量。最后,将相位环形统计矢量的模等效为全聚焦图像的幅值。结果表明,该成像算法既能够通过放大相位分布对信号幅值的贡献提高信噪比,又能够通过减小声束宽度有效提高横向分辨率。相比于相位相干加权算法SCF和CCF,基于相位环形统计矢量的算法对相位偏差的容忍度更高。      

激光照明条件对超振荡平面透镜聚焦性能的影响

超振荡平面透镜(super-oscillatory lens, SOL)是近几年出现的新型平面光学元件,基于矢量角谱理论设计了振幅型和相位型SOL,采用时域有限差分法对衍射聚焦光场进行严格电磁仿真计算,研究发现:当照明激光束腰半径w_0小于SOL半径a时,超衍射极限聚焦能力明显下降,聚焦光斑强度衰减超过50%;束腰半径w_0对相位型SOL影响更剧烈,且会发生显著正向焦移;当w_0不小于2a时可获得接近理想的聚焦特性.倾斜照明条件下,大数值孔径振幅型SOL一般允许的倾斜角度小于10°,而相位型SOL具有宽广的倾角适应性(可超过40°),聚焦光斑会发生横向展宽,且强度急剧下降.大数值孔径SOL对无限远点物成像会产生显著的负畸变和波动变化的场曲,小数值孔径SOL在宽视场范围内则无畸变.本文研究结果为SOL在超衍射极限聚焦、超分辨显微成像、飞秒激光直写微纳加工等领域的实际应用提供重要理论支撑.     

双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达原理

提出了一种双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达系统,结构上采用正交偏振同轴双光束发射和偏振干涉自差探测结构,原理上应用波面变换产生双曲波前差照射光斑,因此通过目标的相对运动在交轨向自动扫描产生目标面横向距离有关的线性相位调制,同时在顺轨向产生目标顺轨向距离有关的二次项相位历程,采用补偿二次多普勒频移的傅里叶变换和补偿交叉耦合的共轭二次项匹配滤波算法实现图像重构。本系统主要特点是结构简单,无需使用任何光调制器,没有交轨向信号的初始相位同步问题,不存在目标时间延时影响,同时也保留了直视合成孔径激光成像雷达的固有优点,如有效地降低了大气等相位干扰,照明光斑可以很大,接收口径可以很大。本雷达适用于航空航天的各种相对运动速度和作用距离的对地观察成像和基于逆合成孔径原理的激光成像雷达。     

Ptychography相位成像及其关键技术进展

Ptychography是近些年快速发展起来的一种新型相位恢复技术,通过对待测样品以小于照明光直径的步长扫描后,利用迭代计算可以重建出照明光和样品复振幅分布,是一种理论分辨率为衍射极限的非透镜相位成像技术。虽然其提出初期受限于基本假定条件,但近些年随着相关研究的跟进,人们对Ptychography算法特性的理解逐渐深入,算法也日趋成熟,在可见光、X射线和电子束等领域已被广泛应用于相位成像、波前诊断和光学计量,因此针对影响重建过程和精度的关键因素,如模态多样化、扫描误差、光斑误差、距离误差、样品厚度不可忽略等进行了总结,并讨论了针对上述问题的关键技术进展。     

幂指数相位涡旋光束用于微粒操控

实验验证了一种利用幂指数相位涡旋光束(PEPV)操控微粒的方法。该方法基于幂指数相位涡旋光束理论,产生不同拓扑荷数与方位角幂指数大于1的涡旋光场的相位全息图,并将该全息片经计算机输入到空间光调制器(SLM)上用于调制入射激光光束。利用透镜对被调制光束进行傅里叶变换,利用光阑在频域对衍射光斑进行筛选和过滤,并利用倒置高倍光学显微镜将光束成像于载物台样品上。利用该幂指数相位涡旋光束对微米级粒子实现了定向光学输运。研究结果表明,该光束在粒子的定向输送与收集方面有独特的功能,将进一步拓展光学涡旋光束的实际应用范围。     

空间光调制器振幅和相位调制特性的实验研究

本文实验研究了德国Holoeye Photonics AG公司生产的反射型电寻址液晶空间光调制器LCR1080的振幅和相位调制特性。在传统的振幅调制测量方法中引入最佳起偏角的测定,利用直接测量法获得了该空间光调制器精确的振幅调制特性曲线。采用双缝干涉法对空间光调制器的相位调制特性进行了测量,有效地克服了泰曼-格林干涉等方法受环境因素影响较大的缺点。通过改变加载到空间光调制器图像的灰度值,获取其相位延迟与灰度值的非线性关系。这些研究对基于液晶空间光调制器的光信息处理、自适应光学等研究奠定了良好的实验基础。     

准相位型光子筛设计

提出了一种准相位型光子筛。该准相位型光子筛通过改变暗环上小孔直径与带宽的比值,对焦点处的相位分布进行调制,使通过亮环和暗环上小孔的光波在焦点处发生相长干涉,生成聚焦光斑。该准相位型光子筛无需对基底进行特殊处理,即可完成相位型光子筛的制作,降低了加工难度。和普通振幅型光子筛相比,在相同最小加工尺寸的条件下,准相位型光子筛具有较大的数值孔径,可降低聚焦光斑尺寸。并且,和多区光子筛相比,在同样的最小加工尺寸及数值孔径的条件下,准相位型光子筛光斑尺寸及质量均优于对方。为大数值孔径光子筛设计提供了一种新的设计方法。     

激光通过不同厚度的强散射介质的聚焦

通常情况下,激光光束经过散射介质后会产生无序的散斑。基于波前相位调制技术,利用连续序列算法结合四步相移法对入射激光的波面进行相位调制,使其通过散射介质在目标位置处形成聚焦。实验着重研究激光经过不同厚度的强散射片样品的聚焦,讨论散射介质的厚度与聚焦点光强增长因子的关系。实验结果表明,透过的散射介质越厚,聚焦光斑尺寸越小,目标位置处聚焦点的光强增长因子也越小。     

用于同步辐射的硬X射线相位补偿镜的研究

设计和加工了一台相位补偿的压电变形镜,使用干涉仪离线表征了其压电变形性能,并提出迭代全局优化算法,实现了变形镜对目标面形的快速高精度逼近。结合X射线散斑扫描技术,在光束的聚焦模式下测试了变形镜的在线相位补偿性能和对聚焦光斑尺寸的优化能力,结果显示,初始的43.4μm焦斑尺寸经相位补偿后被压缩到了12.9μm。上述研究为上海同步辐射光源的快速相位补偿提供了可能。     

基于波面分割及多平面相位恢复的定量相位成像技术

提出了一种基于微透镜阵列分割波前及多平面相位恢复的定量相位成像技术。针对大动态范围的相位物体实现定量相位成像,该技术同时施加了横向波面分割、轴向多衍射平面和多波长照明三种约束。该技术记录了两种不同波长照明下,微透镜阵列焦面附近不同衍射距离的强度分布图,采用多平面相位恢复算法提取透过相位物体的数字复振幅光场,通过双波长数字复振幅光场相位提取算法,实现了大动态范围下的相位物体成像。数字仿真实验中,在640 nm和685 nm的照明下,对相位变化范围大、结构复杂的相位物体进行了模拟仿真,结果表明,该技术可以高效、便捷地实现高精度相位成像。     

一种液晶相位调制特性的测量方法

提出一种基于衍射光栅的液晶相位调制特性测量方法.该方法利用液晶构建相位分别为0和φ的二值光栅,通过傅里叶光学的方法推导衍射光栅第0级衍射光斑光强和调制相位φ之间的关系,然后实测光强和液晶驱动电压之间的对应关系来得到相位和液晶驱动电压之间的对应关系,即液晶相位光栅的相位调制特性.最后利用测量相位调制特性结果构建液晶相控阵,用光束偏转误差验证调制特性测量结果,相位测量误差小于1×10~(-3)rad.     

基于改进GS算法设计DOE制备紫外波段微米级均匀光斑

利用衍射光学元件（DOE）对紫外激光进行相位调制，可在远场衍射获得微米级均匀光斑。该方法的优点为：可灵活设计均匀光斑的形状、尺寸；具有较高的能量损伤阈值，适用于高功率光源。DOE设计的难点在于制备微米级均匀光斑的同时，兼顾陡度、均匀度等参数指标。基于解析法设计DOE生成的均匀光斑过渡区陡度变化缓慢，可有效利用的均匀区域较小，不适合制备小尺寸均匀光斑。此外，基础Gerchberg-Saxton(GS)算法制备微米级平顶光束，整形效果不明显，均匀度无法满足应用要求。将基础GS算法收敛结果作为改进GS算法的初始相位，改进GS算法在频域设置信号区和噪声区，并限制频域振幅分布，在理论上具备可行性。分析了离焦误差影响，并进行了实验验证，发现实验结果与理论结果具有一致性。     

激光通过散射介质的聚焦

基于角谱衍射公式和散射介质的圆形高斯分布模型,数值模拟光通过散射介质的聚焦.通过反馈优化算法实现散射光束的波前整形,在目标位置处形成一个很亮的聚焦光斑.改变聚焦目标位置后,可实现任意位置处的单点或多点聚焦.讨论了空间光调制器上的总调制单元个数、每个调制单元相位准确度与光强增长因子的关系.结果表明:目标位置处的光强随着总像素单元数的增加而线性地增强,并且随着调制单元的相位准确度的增加而增强.