基于微米SDOCT的玻璃亚表面缺陷散射系数测量

用搭建的微米谱域光学相干层析(SDOCT)系统对玻璃亚表面缺陷进行了深度分辨率、非接触、非破坏性测量,并用建立的单次散射模型对得到的断层图像进行计算,得到玻璃亚表面缺陷的散射系数。实验结果表明,利用散射系数可以有效区分玻璃亚表面不同深度的损伤结构。玻璃亚表面散射系数的深度分辨率测量有利于对玻璃亚表面缺陷光学特性的分析,对于精密光学元件的加工和检测具有重要意义。     

抛光表面的亚表层损伤检测方法研究

光学元件磨削加工引入的亚表面损伤威胁着光学元件的使用性能及寿命,成为现阶段高能激光发展的瓶颈问题,特别是抛光表面光学元件的亚表面损伤检测已成为光学元件制造行业的研究热点和难点.本文结合光学共聚焦成像、层析技术、显微光学、光学散射以及微弱信号处理等技术,给出了基于光学共焦层析显微成像的光学元件亚表面损伤检测方法.分析了不同针孔大小对测量准确度的影响,并首次给出了亚表面损伤的纵向截面分布图.与腐蚀法比较结果显示:针对自行加工的同一片K9玻璃,采用本文提出的方法测得的亚表面损伤深度45 μm左右;采用化学腐蚀处理技术,对光学元件逐层刻蚀,观察得到的亚表面损伤深度50~55 μm.两者基本一致,进一步验证了本文采用的方法可以实现对光学元件亚表面损伤的定量、非破坏检测.     

熔融石英光学元件亚表面缺陷三维重构技术

熔融石英光学元件的亚表面缺陷直接影响着其成像质量及激光损伤阈值等指标。相比缺陷的二维截面大小以及深度信息,亚表面缺陷三维轮廓及缺陷体积的定量检测结果可以用来更准确地评估熔融石英光学元件的加工质量。结合共聚焦显微镜的成像原理,使用共聚焦显微镜进行了熔融石英样品层析扫描实验。通过对亚表面缺陷图像特点的分析,提出了适用熔融石英元件亚表面缺陷的三维重建算法。提出的算法在亚表面缺陷重建效率与精度上均优于其他三维重建方法。根据重建后缺陷的统计结果,定量获得了熔融石英样品亚表面缺陷的完整三维信息。     

高斯光束经表面有缺陷的厚非线性介质的传输特性

光学元件上存在的缺陷会对传输光束产生局域振幅和位相调制. 基于衍射理论模型和分步傅里叶算法,模拟分析了高斯光束经过表面有缺陷的非线性介质的传输过程中于介质内及从介质出射后在自由空气的传输特性, 并详细研究了在厚介质前表面有缺陷的情况下,介质中和自由空气中的光强分布演化规律. 研究表明,介质厚度越长、介质的非线性折射率越大,光束整体聚焦越厉害, 聚焦点离介质后表面越近.光束受调制点的位置离中心越近,光束分裂成丝产生的局部光强越大, 且介质表面存在缺陷将使通过的光束在介质后表面处产生一个很大的光强, 相位调制型缺陷产生的这一光强点比振幅调制型缺陷产生的光强点更强.     

高功率激光传输过程中散射点对光束质量的影响

为了研究高功率激光传输过程中不透明颗粒引起的光束调制,通过分析这些不透明颗粒的形状和分布特点,建立了位置呈随机分布的高斯状散射点模型,从光束的衍射理论和干涉叠加理论出发,得到该模型下散射点对传输光束质量影响的解析式。数值分析了高斯状散射点的大小、密度、散射面积比及其传输距离对输出光束的近场分布、位相分布和光束透过率的影响,结果显示亚毫米量级散射点的衍射效应引起最大调制可达1．4,光学元件散射面积比小于0．003时才能满足元件透过率大于99．5％的需求。该结果可用于评价高功率激光装置光学元件的加工状况,并对光学元件加工要求和激光装置的洁净度要求有指导意义。     

表面颗粒污染物诱导薄光学元件初始损伤的机理

基于光传输理论研究了前表面颗粒污染物诱导薄光学元件产生初始损伤的原因,提出了颗粒遮光效应和颗粒造成的光学元件局部热变形两者共同作用对光束进行扰动的损伤机理.研究结果表明:对于高功率激光光束,薄光学元件局部热变形对光束的扰动是产生较高光强调制的重要原因;随着激光脉冲发射次数的增加,局部热变形的表面形状、位相延迟幅度、热扩散长度不断变化,会在光学元件内不同厚度处和后表面xy方向上的不同位置处产生较高的光强调制,不仅容易引起后表面产生多个损伤点,也可能在光学元件内就产生损伤,并且在厚度方向上的损伤点是分散的.     

划痕缺陷对熔融石英光诱导损伤特性的影响分析

激光辐照光学材料时,经后表面反射的部分光束与入射光束干涉,在材料内部形成驻波场.若材料表面存在缺陷,缺陷会对入射光进行调制,导致材料内驻波场分布不再均匀,局部区域光强增大.为分析光学材料的场损伤特性,建立了一个划痕缺陷影响下的光学材料损伤分析模型.从电子增值理论出发,分析了划痕数量及其所在位置对材料驻波场和损伤特性的影响,并针对熔融石英材料进行了具体计算.结果表明,在入射光场不变的前提下,随着划痕数量增加,对光场的调制作用增强,材料内部驻波场的最大场强增大,熔融石英损伤阈值降低.相对亚表面和后表面划痕缺陷而言,材料上表面的缺陷对光场具有最大的调制作用,因此更容易导致材料损伤.     

光学亚表面损伤的探测和后处理技术

光学元件的损伤问题已成为高功率固体激光装置研制的核心问题，而紫外的损伤尤为严重。光学元件的激光损伤与能吸收能量的多种缺陷有关，例如：表面污染、表面擦伤和材料本体的缺陷(气泡或所含杂质)等。研究工作拟从光学元件的亚表面损伤人手，探测不同的光学制造工艺造成的特征亚表面缺陷，研究这些缺陷对激光损伤研制的影响。建立亚表面缺陷化学后处理装置，减少或消除亚表面缺陷所引起激光损伤的程度，为光学元件制造工艺选型提供必要的依据。     

熔石英材料特性分析及实验研究

对熔石英材料的光学特性进行研究,利用分光光度计得到了不同波长下元件的光透过率、吸收率及其变化规律。通过熔石英材料纳米压痕实验,研究了熔石英材料的机械特性,得到了熔石英晶体的弹性模量和材料硬度。研究了熔石英材料的断裂特性,分析熔石英光学元件超精密加工亚表层损伤形成机理,对亚表层损伤裂纹的结构、组成以及裂纹扩散的形成过程进行了分析和研究。利用纳米压痕实验,模拟研磨加工时,材料表面受单颗粒磨粒静态压印和动态冲击时形貌演变的过程,得到了维氏硬度、断裂韧性及临界压力载荷。     

基于过焦扫描光学显微镜的光学元件亚表面缺陷检测方法

微/纳米尺度亚表面缺陷会降低光学元件等透明样品的物理特性,严重影响光学及半导体领域加工制造技术的发展。为了快速、无损检测透明样品亚表面缺陷,本文针对光学元件亚表面内微米量级缺陷的检测需求,提出了一种基于过焦扫描光学显微镜（TSOM）的检测方法。利用可见光光源显微镜和精密位移台,沿光轴对亚表面缺陷进行扫描,得到亚表面缺陷的一系列光学图像。将采集到的图像按照空间位置进行堆叠,生成TSOM图像。通过获得所测特征的最大灰度值来获得亚表面缺陷的定位信息。提出方法对2000μm深亚表面缺陷的定位相对标准差达到0.12%。该研究为透明样品亚表面缺陷检测及其深度定位提供了一种新方法。     

低亚表面损伤石英光学基底的加工和检测技术

制备低亚表面损伤的超光滑光学基底,是获得高损伤阈值薄膜的前提条件。针对石英材料在不同加工工序中引入亚表面损伤层的差异,首先利用共焦显微成像结合光散射的层析扫描技术,对W10和W5牌号SiC磨料研磨后的亚表面缺陷进行了检测,讨论了缺陷尺寸与散射信号强度、磨料粒径与损伤层深度间的对应关系;同时,采用化学腐蚀处理技术对抛光后样品的亚表面形貌进行了刻蚀研究,分析了化学反应生成物和亚表面缺陷对刻蚀速率的影响、不同深度下亚表面缺陷的分布特征,以及均方根粗糙度与刻蚀深度间的联系。根据各道加工工艺的不同采用了相应的亚表面检测技术,由此来确定下一道加工工序,合理的去除深度,最终获得了极低亚表面损伤的超光滑光学基底。     

基于WLI原理K9基片的亚表层损伤检测

在现代激光技术的应用发展中，光学元件在其制造过程中形成的亚表层损伤是导致激光损伤的主要根源之一。光学元件亚表层的检测方法已成为光学加工领域的一个新的热点问题。利用非接触式白光干涉原理对K9基片进行亚表层损伤检测，获得基片表面至亚表面200μm深的三维立体图和纵向截切图，并精确地确定其亚表层损伤深度，以及在不同深度范围内的损伤密度。该方法与现阶段国内常用的亚表层损伤检测方法相比，具有非破坏性、纵向检测结果精确、检测过程简单快捷等特点。     

光折变晶体LiNbO_3:Fe中的特殊散射现象

用柱面透镜把经针孔滤波器扩束的激光束沿某一个方向聚焦成细丝状(或长条状),细丝状光束垂直入射到LiNbO_3:Fe晶体上,在远场位置观察散射光.我们发现光散射的方向与晶体的c轴方向不一致,不仅沿着晶体的c轴方向有散射光出现,沿光束的条形方向也出现很强的散射光.     

Observation of out-coupling of a nematicon

In this work we present the observation of spatial optical solitons in liquid crystal cells by recording the diffraction pattern of the out-coupled beam on a distant screen. Simultaneously, the light propagation is observed via scattering measurements. The most important observation is displacement of the beam on the screen due to the transverse undulation inside the cell. This undulation is caused by the anisotropic walk-off of the beam. The displacement is in good agreement with the values of the undulation earlier reported.     

尾流后向散射光功率衰减特性研究

依据Mie理论光散射在0°和180°有明显增强的结论,应用自行设计的模拟尾流后向散射光功率实验系统在632.8 nm He-Ne激光器直接照明和扩束后照明两种条件下,对模拟尾流后向散射光功率衰减特性进行了研究.结果表明,用后向散射光功率进行探测时,考虑到散射光在水中传播的衰减,对近距离分布的气泡,使用扩束光照明效果较好;对较远距离分布的气泡,使用细光束照明效果较好,其可探测的距离要比扩束光远.     

激光脉冲诱导损伤点对激光传输的影响

高能重复激光脉冲对光学元件损伤点的产生和扩展与损伤点对后续激光脉冲光强的调制作用密切相关。观察激光诱导K9玻璃的损伤点,发现损伤点是从里到外呈现辐射状分布,内部损伤程度最大,可致充分断裂;向外损伤程度减小,呈现辐射的应力相变,引起折射率变化;对损伤点的透射光谱检测发现其透过率下降大于20%,但是下降的幅度与波长无关,说明充分断裂的材料会对激光进行充分吸收,类似黑体吸收,其对入射光的吸收只与损伤点的面积有关。CCD对激光通过损伤点后的光强分布探测发现： 在激光能量传输过程中,损伤点会导致光强分布的不均匀,存在明显的散射效应,这会引起激光光强分布的不均匀性,导致损伤区域的进一步扩散。     

Visualization by means of coherent light sheets: application to different flows

Light-sheet generator systems using a sweeping, focused laser beam and spherocylindrical optical components are described and their respective performances discussed. They allow the visualization of supersonic air flows by means of light scattering. Tomographic recordings give a three-dimensional reconstruction of the flow (especially the stationary structures) and can be realized in real-time.     

Light scattering on ultrathin capillaries

In recent experiments, very low amplitudes of light scattering were reported for a tightly focused laser beam on a glass microcapillary. This result may be of great importance for single molecule detection in liquids. In the present paper, a theoretical study of the problem of light scattering of a focused laser beam on a cylindrical glass capillary is given. The numerical calculations are based on an exact electrodynamic treatment of the whole problem, including vector effects of the electromagnetic field of the laser beam. It is shown that under favorite conditions (inner and outer radius of the capillary, perfect adjustment of the laser beam) the intensity of the back-scattered light may be extremely low.     

Recent advances in wavefront shaping techniques for biomedical applications

Due to the highly inhomogeneous distributions of refractive indexes, light propagation in complex media such as biological tissue experiences multiple light scattering events. The suppression and control of multiple light scattering events are investigated because they offer the possibility of optical focusing and imaging through biological tissues, and they may open new avenues for diagnosis and treatment of several human diseases. In order to provide insight into how new optical techniques can address the issues of multiple light scattering in biomedical applications, the recent progress in optical wavefront-shaping techniques is summarized.     

Ultrasonic enhanced Brillouin light scattering in water

Brillouin light spectra in water was experimentally investigated by a scanning Fabry-Perot interferometer. The optical properties of the scattering media were modulated by a plane ultrasound wave. An enhancement up to 10 times of the Brillouin signal by modulation with the ultrasound wave has been seen clearly. The dependence of the Brillouin signal amplitude on the ultrasound frequency, amplitude and the position of the ultrasound field based to the light beam was investigated experimentally. Very strong dependence of the enhancement with experimental conditions was obtained.