基于近零折射率材料的声非对称聚焦透镜

研究基于近零折射率声子晶体的声非对称聚焦透镜。声非对称聚焦透镜的两侧分别为竖直平面与圆弧面结构,由于近零折射率材料的声波方向选择性,当声波从竖直平面一侧入射时,可以通过透镜,实现高性能声聚焦效应;而当声波从圆弧面一侧任意方向入射时,声波无法通过透镜,从而实现同时具有聚焦与非对称传输特性的声学透镜。在此基础上,改变透镜圆弧面的曲率半径,可以调控非对称透镜的正向聚焦焦点位置,且声非对称传输性能保持不变.此外,透镜内部的刚性散射体对声非对称聚焦性能的影响较小。研究结果表明所设计的声非对称聚焦透镜具有多功能、单一结构及高鲁棒性等优点,为设计新型近零折射率声学器件提供相应的理论方案与实验参考.      

基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜

研究基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜.根据近零折射率材料的声波方向选择机理,采用蜷曲空间结构为基本单元进行排列,设计具有特定入射与出射界面的几何结构,对透射声波的出射方向进行调控,实现了平面声波与柱面声波的聚焦效应,并深入讨论了透镜内部刚性散射体对声聚焦性能的影响.在此基础上,改变近零折射率透镜的出射界面,可以精确调控声波阵面的形状与方向.该类型透镜具有单一的单元结构、高聚焦性能及高鲁棒性等优点.研究结果为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供了理论指导与实验参考,同时也为研究声波阵面的调控提供了新思路.     

基于热声相控阵列的声聚焦效应

研究基于热声相控阵列的宽频带声聚焦效应.设计新型热声相位控制单元,通过改变单元的空气温度控制声波波速,实现声波透射与反射相位延迟覆盖2π区间.设计四种不同类型的热声相控阵列聚焦透镜,采用8种或2种热声相位控制单元分别实现了透射与反射声聚焦效应.与其他类型的声聚焦透镜相比,热声相控阵列聚焦透镜具有宽频带、高聚焦性能、设计方案简单等优点.     

体全息光栅透镜的设计和应用

设计了一种新型的体全息光栅透镜, 在一块光学平板（体全息记录材料）内可以将输入光束产生横向传输并聚焦, 或对输入光点产生横传的准直. 它由一束平面波和一束球面波正交入射到光学平板上干涉形成的. 研究了该体全息透镜的光栅间距变化情况, 为设计和制备体全息光栅透镜及相关器件提供了理论依据. 基于两光束耦合波理论, 得到了该光栅透镜的耦合波方程, 近似计算了该透镜的衍射效率及其达到高衍射效率时透镜的最佳尺寸. 最后, 讨论了该透镜在集成光学等领域中的应用.     

各向异性超常材料平板透镜的聚焦特性分析

运用矢量角谱理论研究各向异性超常材料平板透镜的聚焦特性,得到了光束在平板透镜内外各区域的矢量场分布,揭示了超常材料平板透镜的聚焦特性跟材料的各向异性参数之间的定量关系,发现聚焦场的偏振态因平板透镜的各向异性特性而发生改变.作为矢量理论的具体应用,分析了光轴方向磁导率为-1,其他各向异性参数均为1的超常材料平板透镜的聚焦特性,发现此类透镜对初始沿某一横向方向偏振的光束能实现部分聚焦,并发生偏振旋转现象.     

制作工艺误差对X射线组合折射透镜聚焦性能影响研究

本文主要介绍对X射线组合折射透镜的制作工艺误差对其聚焦性能影响的研究结果. 首先给出采用深度X射线光刻技术制作的PMMA材料圆柱面型X组合折射透镜的工艺测试结果,得出制作工艺误差值,定性分析制作工艺误差对X射线组合折射透镜聚焦性能的影响. 然后根据实际的制作工艺误差建模,给出详尽的理论分析和定量的理论模拟结果. 最后在北京同步辐射装置(BSRF)上,构建基于PMMA材料的圆柱面型X射线组合折射透镜的微束聚焦实验系统,实际测试了有明显工艺误差和尽量消除工艺误差的两种X射线组合折射透镜的聚焦性能,给出实测结果 关键词： X射线组合折射透镜 制作工艺误差 X射线聚焦性能 同步辐射     

抛物面型X射线组合折射透镜聚焦性能的理论与实验研究

结合衍射理论和矩阵光学方法得出抛物面型X射线组合折射透镜的光学性能指标(包括其焦距的严格表达式、薄透镜近似的判定准则、透过率和有效孔径,以及极限聚焦光斑尺寸等).采用X射线深度光刻技术实际制作了PMMA材料抛物面型X射线组合折射透镜并给出了工艺测试结果.最后在北京同步辐射装置(BSRF)上,实际构建了基于3种不同结构参数的PMMA材料抛物面型X射线组合折射透镜的微束聚焦实验系统.并实际测试了其聚焦性能,均获得了良好的聚焦效果,给出实测结果并对实测结果进行了分析和讨论.     

基于粒子群算法的超振荡超分辨聚焦声场设计

针对传统声束的衍射极限问题,如何构建具有更高分辨率的聚焦声场,是实现超分辨声成像和声操控领域的重大挑战之一.本文在考虑成像分辨率同时兼顾声场可控制性,提出了一种基于粒子群优化算法的多频超振荡超分辨聚焦声场设计方法.基于常规换能器声场的衍射效应,利用半波带法设计中心频率菲涅耳透镜,并以中心频率为基准在换能器带宽范围内设置多频信号来构建超振荡声场,进一步通过粒子群算法对多频声束的振幅和相位进行优化,在远场构建了焦域半径能够小于中心频率半波长的超振荡声场,还发现其尺寸小于最高频率声场的所形成焦域半径,进一步证明其焦域半径随着中心频率和超振荡频率数的增大而减小.研究结果为可控超分辨声聚焦提供了一种简便易行的方法.     

高分辨率快速数字化光声CT乳腺肿瘤成像

提出了一种基于聚焦线性阵列探测器的快速光声计算机断层成像技术（光声CT）.在光声二维图像重建中,根据阵列探测器机械扫描和电子扫描相结合的组合扫描模式,提出了改进的有限场滤波反投影重建算法.一方面该算法适合多元探测器旋转扫描模式,另一方面探测器的指向性函数作为反投影的权重因子提高了系统的横向分辨率.同时,该成像系统还利用柱面声透镜实现Z轴方向上的聚焦扫描以实现三维层析成像.实验中,这套成像系统空间分辨率达到0.2mm,Z轴方向分辨率为1.5mm,扫描一幅二维图像仅需150s,得到 关键词： 光声CT 有限场滤波反投影算法 声透镜聚焦 乳腺肿瘤检测     

径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离子体激元透镜

表面等离子体激元透镜(plasmonic lens, PL)是一种通过激发和操控表面等离子体激元 (SPPs), 突破衍射极限, 实现亚波长紧聚焦的纳米光子器件. 如何实现高效率的紧聚焦及调控, 一直是研究PL的重点. 如果选取电矢量沿径向振动的径向偏振光作为PL的入射光, 可从各个方向激发SPPs, 提高紧聚焦的能量效率. 本文提出了一种在径向偏振光激发下的长焦深、长焦距、亚波长紧聚焦的表面等离子体激元透镜, 该透镜由中心T 形微孔、阶梯形同心环和同心环结构组成. 本文首先利用有限元方法数值分析了中心微孔-同心环结构透镜的聚焦特性, 结果显示径向偏振光由底部入射可高效激发SPPs, 并且中心微孔透射光与散射至自由空间的SPPs由于多光束干涉形成了紧聚焦. 为进一步压缩焦斑、增加焦距、加深焦深、改善透镜聚焦特性, 本文引入中心T形微孔-阶梯形同心环结构, 从而对阶梯表面的SPPs同时提供了相位调制和传播方向的控制. 经过参数优化, 该透镜结构实现了光斑焦深、半高宽、焦距分别是入射光波长的2.5倍、0.388 倍、3.22倍的亚波长紧聚焦; 而且该透镜具有结构紧凑、尺寸小、易于集成的优点, 满足了纳米光子学对于器件微型化和高度集成化的要求. 该研究结果在纳米光子集成、近场光学成像与探测、纳米光刻等相关领域具有潜在的应用价值.     

超导透镜及其聚焦行为

 理论上分析了利用高温超导体作为透镜聚焦强流相对论电子束的机理。实验研究中，研制出的YBa₂Cu₃O₇-d 高温超导体作为透镜的传输和聚焦性能被得到验证，结果表明，超导透镜具有明显的聚焦效果，并可有效控制束流强度分布，使被聚焦电子在束横截面上的分布更为均匀。     

光横向传播的光折变体全息透镜设计及其衍射性质

提出了一种新型的可用于光束横向传播的光折变体全息透镜。该透镜是由入射方向相互垂直的一束平面波和一束球面波在双掺杂的铌酸锂晶体平板上记录形成的，它可以将垂直入射晶体平板的输入光束产生横向传输并聚焦，或对输入光点产生横传并准直输出。该透镜除了具有一般体全息透镜的稳定性好、可靠性高的特点外，特别具有光束横向传播的功能，因而具有空占比小、更易于整个光学透镜系统的微小化集成的优点。利用局域体全息的耦合波理论，计算了该透镜衍射光的振幅分布和衍射效率。计算了该透镜的焦面上的强度分布，并与理想球面波照射矩形孔径时焦面上的强度分布进行了比较。     

铜材料X射线聚焦组合透镜的设计与制作

铜材料X射线聚焦组合透镜是一种基于折射效应的X射线聚焦元件。简单介绍了组合透镜的设计理论研究结果,并据此对材料作了选择。针对铜材料组合透镜,分析了组合透镜结构参数、X射线工作波长的选择对组合透镜光学性能的影响。在此基础上,设计了组合透镜的结构参数,使其在硬X射线波段具有较好的聚焦性能,并能获得较高的焦斑强度。采用准LIGA技术制作了铜材料X射线组合透镜,给出了部分铜材料X射线组合透镜结构测量结果。     

基于温度梯度分布的宽频带声聚焦效应

研究基于温度梯度分布的宽频带声聚焦效应. 利用两个恒温热源产生的温度梯度分布, 控制声波传播路径, 实现声波聚焦效应. 该机理源于温度场连续变化引起声折射率连续变化, 无反射能量损失, 具有宽频带及高聚焦性能等优点. 在此基础上, 分析入射声源频率、热源温度、分界面空间分布、热源位置、介质的衰减系数、热源温度不对称分布等因素对声聚焦性能的影响, 利用气凝胶材料验证单一介质中基于温度梯度分布的声聚焦系统的可行性.     

利用毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术对单根头发中元素空间分布进行无损扫描分析

头发中的元素与人的饮食和健康状况有关,对头发中元素的分析,不仅可用于刑事物证鉴别,还可为疾病的预防和治疗提供依据,因此,如何检测头发中元素分布等信息倍受人们关注。本文利用基于毛细管X光透镜和实验室普通X射线光源的共聚焦微束X射线荧光技术对单根头进行了无损扫描分析,分析了单根头发中元素的空间分布。在该毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术中,毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和毛细管X光平行束透镜的入口焦斑处在共聚焦状态,从而形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,降低了背底信号对X射线荧光谱的影响,从而有利于提高该共聚焦X射线荧光技术的分析精度。该共聚焦技术中采用了具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜,降低了该共聚焦X射线荧光技术对X射线光源功率的要求,从而保证了该共聚焦技术可以采用实验室普通X射线光源,降低了实验成本。实验表明,毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在单根头发元素分布检测中具有应用价值。     

A0模态Lamb波聚焦透镜的结构设计及实验研究

基于折射率的弯曲波透镜多在板结构上打孔或挖槽,这种设计破坏了原有的结构,降低了板的刚度和稳定性。鉴于此,通过在板表面镶嵌棱柱的方式设计了A0模态Lamb波的聚焦透镜。首先,详细讨论了棱柱的结构参数对Lamb波带隙的影响机理,获取了波速与结构尺寸的定量关系,并实现了透镜的结构设计;其次,有限元仿真了该聚焦透镜的工作性能,包括聚焦位置、焦点处能量分布、聚焦尺寸、工作带宽等;最后,通过实验验证了该透镜设计的正确性。研究结果表明,设计的透镜能够使弯曲波聚焦在预先设定位置,且在不改变结构参数的情况下具有一定的工作频率带宽。该透镜设计方法具有聚焦性能优越、刚度强、易于加工等优点,为声聚焦透镜在无损检测、能量收集等领域的实际应用提供了参考。     

声表面波在线性调频声栅上作Bragg衍射后的聚焦声场

本文应用准周期概念给出声表面波在线性调频声栅上Bragg衍射的透射函数。将一级衍射波的分布作为有限孔径内的已知分布。将求解透射区的一级声束的场分布问题作为求上述有限孔的衍射问题来处理。分析结果表明,对偏转声束来说,在Fresnel区存在一个Fraunhofer平面。线性调频声栅同时起两个作用:它既相当于一个等周期的声束偏转器,同时又是一个Fresnel透镜,在焦平面上的声场分布,是声栅出射平面上偏转声束幅度分布的Fourier变换。分析结果还表明:聚焦声轴随入射声波频率而平行移动。这一现象属首次发现,实验结果证实了上述理论分析预计。 关键词：     

多台阶圆形衍射微透镜聚焦性能的矢量分析

给出了基于旋转体时域有限差分法的严格的矢量分析模型,应用该模型分析了多个多台阶圆形衍射微透镜的设计实例.研究了设计参量和制作误差对其聚焦性能的影响.结果表明增加环带数,但保持其他设计参量例如焦距、入射波长不变时,焦点场强增大、焦斑变小、焦深变短;只增加台阶数时,聚光作用加强,但台阶数达到8～10后,聚焦效果趋向稳定,因此建议在实际加工中,台阶数选择8～10.用二元掩模板套刻制作多台阶时,容易产生制作误差.设计了在第三次套刻制成8个台阶过程中产生了对准误差和系统刻蚀误差的两类多台阶微透镜.分析结果表明对准误差对多台阶微透镜聚焦效果的影响较大,加工时要尽量避免,而系统刻蚀误差对多台阶微透镜聚焦效果的影响较小.     

表面等离子体平面金属透镜及其应用

由于衍射极限的存在,传统光学透镜成像分辨率理论上只能达到入射光波长的一半。通过恢复和增强携带物体细部特征信息的高频倏逝波,基于表面等离子体的平面金属透镜有望突破这种光学衍射极限,实现超分辨成像。本文对平面薄膜式与纳米结构式两类平面金属透镜进行了综述,详细介绍了若干典型平面金属透镜的结构设计、工作机理及其聚焦性能,并对其特点与存在的问题进行了分析与讨论。由于光波在金属中传播时存在一定损耗,如何更高效地增强高频倏逝波信号并转换成传播波,使其参与成像,以更好地实现远场超分辨成像,以及如何进一步增大近场超高分辨率聚焦光斑焦深以及减小远场聚焦光斑尺寸,是表面等离子体平面金属透镜进一步研究的重点。     

射频四极透镜的聚焦特性

研究了带电粒子在射频四极透镜中的运动方程,导出了传输矩阵元,讨论了透镜聚焦特性和透镜各参数间的关系.