艾里光束通过负折射率介质的传输特性

为了研究艾里光束(Airy beams)通过负折射率介质中的传输特性,利用ABCD矩阵光学理论推导出了Airy光束通过负折射率介质的传输解析表达式.利用该解析表达式得到了Airy光束通过负折射率介质的传输特性.计算结果表明,Airy光束通过负折射率介质后的自加速和光强都可以通过负折射率介质的工作频率调控.Airy光束通过负折射率介质的横向偏转系数随传输距离z的增大而加速偏转;同时当传输距离z相同而负折射率介质的工作频率不同时,偏转系数也不相同.Airy光束的强度和偏转度都可以通过负折射率介质的工作频率调控.结果显示可以利用负折射率介质的工作频率方便有效地调控Airy光束,研究结果在光学器件设计和医学科学中都有潜在的应用价值.     

光子晶体线缺陷波导中的折射率相位移调制增强效应

在传统的基于全内反射原理的低折射率比介质波导所构建的相位移调制型光学器件中,调制区域的长度通常在毫米到厘米量级.由于器件横向尺寸保持在微米量级,因此狭长结构成为了传统光波导器件的典型特征,这限制了光学器件集成度的提高,严重制约了集成光路的进一步发展.光子晶体的出现为高密集成光路的发展提供了一条新的途径.本文使用平面波展开方法计算了光子晶体线缺陷波导中的色散曲线.研究发现:在色散曲线下边缘处,材料折射率的一个微小变化可以引起传输常数的较大变化,如果工作频率点选择在带下边缘附近,则可以大幅度减小相位移调制型器件调制区域的长度.本文使用时域有限差分方法进一步验证这种增强效应,计算结果表明,对于0.46%的折射率变化,光子晶体线缺陷波导中的相位调制长度仅为均匀媒质中相位移调制长度的11.7%.通过以进一步研究,这种增强效应有望应用与高密度集成光路.     

几种新型全反射棱镜式环形激光器的模式选择技术

根据全反射棱镜式环形激光器(TRPRL)的矩阵光学理论和环形He-Ne激光器内环形激光的工作理论,研究了TRPRL的激光模式选择技术方法,可令环形激光器内的顺时针和逆时针两个方向上的激光工作在单谱线、单横模、单纵模的状态,从而在环形激光器内形成稳定的驻波,输出到光电探测器上稳定的干涉条纹信号波形。采用缩短TRPRL的毛细管直径方法,可抑制3.39μm谱线;由于TRPRL的特殊的环形激光器结构,采用分立式特殊结构设计的选频光阑,选频光阑可以放到环形激光器的光路任意位置处,而多个选频光阑即可有效抑制1.15μm的谱线;根据不同波长激光腰斑半径的不同,在光腰处采用特制的椭圆小孔光阑,抑制0.63μm激光的高阶横模。对于TRPRL在全反射棱镜式激光陀螺(TRPLG)中的应用具有重要意义。     

热压载荷作用下气体检测光学窗口对激光传输影响

采用有限元方法研究了不同热压载荷作用下多组分气体原位激光检测系统的光学窗口变形分布情况,并根据热光效应计算得到光学窗口折射率分布。采用光线追迹法对比分析了氮气吹扫前后光学窗口折射率变化及变形对到达接收面的通光量和辐照度分布影响规律。此外,基于高温光学窗口激光透射测试平台开展了高温光学窗口对检测信号影响研究。结果表明:高温高压环境会使光学窗口折射率变化幅度增大及变形加剧,导致激光光路偏折引起透射光强损耗和探测信号条纹干涉;氮气吹扫可以有效改善激光传输条件,增加到达接收面的通光量,优化辐照分布,提高激光传输质量。     

光屏两点投射法测量超临界流体折射率的光路分析计算

由于超临界流体温度和压力较高，用于测量其折射率的光学池需要特殊设计。超临界流体(Super Critical Fluid，SCF)光学池设计为细长形体，以便控温和耐高压；光屏两点投射法测量超临界流体折射率应采用斜交光学池；分析了斜交光学池测量折射率的光路，推出了斜交光学池平行窗口和非平行窗口光路计算的方程，并给出了求解折射率的方法。     

克尔效应导致的鬼像位置移动

在近轴条件下,利用矩阵光学的方法研究了高功率高斯光束通过不同光学元件时,克尔效应导致的介质折射率的变化对鬼像位置的影响.计算了单个双凸透镜,单个双凹透镜以及4F系统中反射光线形成的低阶鬼像的位置移动,并将鬼像位置移动的规律表示为入射光束束腰和峰值光强的函数.     

表面等离子体共振的热致折射率EI北大核心CSCD

激光束照射液体产生的热累积效应会引起其折射率变化,从声光方程出发分别分析了液体瞬态折射率与稳态热致折射率产生的机理,研究了透镜焦距以及入射波长对去离子水折射率的影响.利用表面等离子体共振检测系统对温度改变的高度敏感性,建立了一种新型的液体棱镜检测系统,数值模拟了不同功率下去离子水的稳态共振曲线,当功率变化为0.7 W时,其折射率变化为1.4×10-3.采用功率可调的980nm的连续激光器对去离子水的热光效应进行了实验研究,得到了其稳态热致折射率随功率的变化关系,当功率变化0.7 W时,其折射率变化为3.35×10-3,最后剖析了实验与理论之间误差的可能来源.     

表面等离子体共振的热致折射率

激光束照射液体产生的热累积效应会引起其折射率变化,从声光方程出发分别分析了液体瞬态折射率与稳态热致折射率产生的机理,研究了透镜焦距以及入射波长对去离子水折射率的影响.利用表面等离子体共振检测系统对温度改变的高度敏感性,建立了一种新型的液体棱镜检测系统,数值模拟了不同功率下去离子水的稳态共振曲线,当功率变化为0.7 W时,其折射率变化为1.4×10-3.采用功率可调的980nm的连续激光器对去离子水的热光效应进行了实验研究,得到了其稳态热致折射率随功率的变化关系,当功率变化0.7 W时,其折射率变化为3.35×10-3,最后剖析了实验与理论之间误差的可能来源.     

利用迈克耳孙干涉仪测量透明体的折射率

光的干涉在光学领域有着广泛的应用,本文提出用迈克耳孙干涉仪测量薄透明体折射率的方法,当被测透明体插入迈克耳孙干涉仪的光路中时,其会与光路呈不同夹角,对应光程变化可通过等倾干涉圆环的变化,根据实验仪器吞吐圆环数、薄透明体厚度、薄透明体折射率、薄透明体与光路夹角之间的关系,据此可同时测得薄透明体厚度和折射率.并且在测量过程中系统不再变动,可使系统误差进一步降低.     

含负折射率材料的一维光子晶体的光学传输特性

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的光学传输特性.计算了这种含负折射率材料的一维光子晶体的透射谱和色散关系.结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多,并具有狭窄的透射带,从光学薄膜理论的色散关系出发解释了形成上述现象的原因.讨论了在不同的偏振模式下,光以中心波长入射时,反射率随着入射角度的变化关系.发现含负折射率材料的一维光子晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对中心波长的全方位反射.     

气动热环境下高速飞行器光学头罩特性分析

建立高速飞行器红外光学头罩在气动热环境下有限元分析模型,分析头罩在气动热环境下的物理特性和光学特性,对头罩在气动热环境下的温度场、应力场、应变场和位移场进行数值计算。计算结果表明头罩在气动热环境下温度场分布不均匀,因此头罩会产生热应力而发生形变。利用有限元分析结果,根据热光效应和弹光效应理论,对气动热环境下红外光学头罩的折射率场进行数值计算。以头罩外表面中心点折射率为例,在头罩工作时间内,通过计算得到头罩15s后由热光效应造成的折射率改变为0.011,而由弹光效应造成的x方向折射率改变为0.000107,即弹光效应造成的折射率改变量约为热光效应造成折射率改变量的0.97%,由此可知,在气动热环境下热光效应对头罩折射率的影响比较大,而弹光效应对头罩折射率的影响比较小。     

The DRESOR method for radiative heat transfer in a one-dimensional medium with variable refractive index

This paper extends the DRESOR (Distribution of Ratios of Energy Scattered by the medium Or Reflected by the boundary surface) method to radiative transfer in a variable refractive index medium. In this method, the intensity is obtained from the source term along the curved integration paths determined only by the variable refractive index, and the DRESOR values are calculated by the Monte Carlo method in which the propagation of the energy bundles are affected by Snell's law. With given temperatures on the black boundaries of a one-dimensional medium, the temperature distribution inside the medium with a variable scattering property is calculated under the condition of radiative equilibrium. It is shown that the DRESOR method has a good accuracy in the cases studied. For an isotropic-scattering medium with the same optical thickness, the scattering albedo has no effect on the temperature distribution, which can be obtained from the general equations and can be seen as an extension of what exists for a constant refractive index; however, the different refractive index causes obvious changes in the temperatures inside the medium. The effect of anisotropic scattering on the temperature distribution cannot be ignored, although it is still weaker than the effect caused by variation in the refractive index.     

沉积参量及时效时间对 SiO2薄膜残余应力的影响

SiO2 薄膜由电子束蒸发方法沉积而成。用GPI数字波面光学干涉仪测量了不同沉积条件下玻璃基底镀膜前后曲率半径的变化,并确定了 SiO2 薄膜中的残余应力。在其他条件相同的情况下,当沉积温度由 190 ℃升高到350 ℃时,SiO2 薄膜中的压应力由-156 MPa增大为-289 MPa。氧分压由3.0×10-3 Pa升高到13.0×10-3 Pa时,SiO2 薄膜中的应力由-223.5 MPa变为20.4 MPa。通过对薄膜折射率的测量,发现薄膜的堆积密度随沉积条件的改变也发生了规律性的变化。应力的变化主要是由于沉积时蒸发粒子的动能不同,导致薄膜结构不同引起的。同时,在样品的存放过程中,发现随着存放时间的延长,薄膜中的应力表现出了由压应力状态向张应力状态演变的趋势。     

Paraxial designing of planar waveguide variable-index focusing elements: Part 1—lenses of circular symmetry

A paraxial ray equation is used to evaluate refractive index profiles for a family of radially symmetric planar waveguide lenses. Two cases are considered: the (theoretically) full-aperture solution, and the solution with smooth index variation (non-full-aperature case). In deriving the latter case a new method has been applied that consists of the proper choice of a continuous deflection function. Both types of index profiles are described by exceptionally simple formulas.     

Flow field's temperature partition reconstruction based on its phase distribution

Aiming at the effect of species composition distribution on flow field's temperature reconstruction from the experimentally measured refractive index, a temperature partition reconstruction method based on flow field's phase distribution is proposed. Moiré deflection tomography is chosen to obtain the refractive index of a flame with probe wavelength of 808 nm. Enlightened by the visual characteristic of optical computerized tomography (OCT) for flow field and the practical structure of the flame, it is divided into three regions in radial direction based on its phase distribution. The essence is that the temperature is reconstructed with adopting different species composition for different regions. Finally, the rationality of the method is analyzed.     

相变光盘介电薄膜ZnS-SiO2 的微结构和光学特性

采用射频磁控溅射法制备了ZnS-SiO₂ 介电薄膜,利用透射电镜和椭偏仪研究了溅射条件对ZnS-SiO₂薄膜微结构和折射率n的影响.研究表明,ZnS-SiO₂薄膜中存在微小晶粒,大小为2～10 nm的ZnS颗粒分布在SiO₂基体中,当溅射功率和溅射气压变化时,ZnS-SiO₂薄膜的微结构和折射率n发生显著变化,微结构的变化是导致折射率n变化的主要原因,通过优化溅射条件可以制备适用于相变光盘的高质量ZnS-SiO₂介电薄膜.     

含负折射率缺陷的一维光子晶体的杂质带

利用传输矩阵方法研究了含负折射率缺陷的一维光子晶体的透射谱.以19个周期的1/4波堆存在3个负折射率缺陷的光子晶体为例进行了数值计算.结果表明:如果改变缺陷的折射率,缺陷模之间的耦合作用将发生改变,带隙中形成的杂质带也随之改变; 当这个折射率取适当值时,在禁带中出现多个尖锐的透射峰,与正折射率缺陷构成的杂质带不同.     

Reflex optical sensor based on dual metal gratings with high angular sensitivity

An interesting reflection phenomenon in a dual metal grating (DMG) structure is studied, which is related to the competition between Fabry-Prot (F-P) resonance effect and evanescent-field coupling effect inside the gap between the two composing single metal gratings. This competition leads to high angular sensitivity in response to the refractive index variation of the sample solution in the gap. A reflex optical sensor with high sensitivity based on DMG for detecting the change in refractive index is proposed and its performance theoretically is discussed.     

基于少模-无芯-少模光纤结构的高灵敏度折射率传感器

光纤折射率传感器广泛应用于各种复杂环境的监测。设计了一种基于少模光纤（fewmode fiber,FMF）–无芯光纤（coreless fiber,CLF）–FMF结构的高灵敏度折射率传感器。该传感器由2小段FMF之间熔接1段减薄的CLF组成马赫-增德尔干涉仪（Mach–Zehnder interference,MZI）,测量外界折射率,利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating,FBG）进行温度补偿。MZI干涉光谱中的谐振波谷同时受折射率和温度影响,FBG只受温度的影响。利用MZI和FBG的折射率和温度灵敏度系数构建灵敏度矩阵,实现折射率和温度的同步测量。实验结果表明,MZI折射率灵敏度为345.66 nm/RIU,温度灵敏度为0.013 4 nm/℃;FBG的温度灵敏度为0.010 4 nm/℃。     

A model for arc plasma's optical diagnosis by the measurement of the refractive index

A model, which introduces the ionization degree of plasma, is deduced to reconstruct the temperature and electron number density distributions for arc plasmas via the measurement of the refractive index. The rationality, applicability and superiority of the model are analyzed and discussed theoretically. To experimentally verify whether the model is rational and feasible, an argon arc plasma is chosen as a practical example for experiment, while the measurement of the refractive index is achieved by moiré deflection tomography with the probe wavelength 635 nm. The distribution and imprecision of the reconstructed temperature results indicate that the model is reasonable, feasible and dependable. Besides, the factors which may cause the imprecision of the reconstructed temperature are also analyzed and proposed.