强聚焦涡旋光束经过散射介质的实验研究

激光束经过大数值孔径透镜聚焦后,可以得到一个亚波长大小的聚焦光斑,能够用于显微技术、光刻和数据存储。通过实验的方法,研究了强聚焦的涡旋光与非涡旋光经过散射介质的透射率,并分析聚焦透镜数值孔径和涡旋光拓扑荷数对聚焦光透过散射介质能力的影响。实验结果显示:在相同的实验条件下,涡旋光的透射能力比非涡旋光更强;拓扑荷数越大,聚焦光透射能力越强;数值孔径越大,聚焦光的透射能力越强。     

自散焦介质中光束聚焦的最佳参数选择

对自散焦介质中由交叉相位调制效应引发的光束聚焦过程进行了细致的系统研究,讨论了抽运光初始振幅、抽运光信号光初始间距和抽运光信号光波长比三个参量对信号光聚焦过程的影响.数值模拟结果表明:抽运光越强,信号光聚焦程度越大;抽运光信号光初始间距和抽运光信号光波长比均存在一个最佳值,使得光束聚焦达到最佳效果.通过参数最佳值的选择,可提高光束聚焦的效率 关键词： 非线性折射率系数 交叉相位调制效应 自散焦介质 光束聚焦     

三维自散焦介质中光束聚焦的最佳参量选择

对三维自散焦介质中由交叉相位调制效应诱导的光束聚焦过程进行了系统研究,讨论了抽运光振幅、抽运光-信号光初始偏移和抽运光-信号光波长比三个参量对信号光聚焦过程的影响。根据自散焦介质中强抽运光诱导弱信号光聚焦满足抽运光与探测光模型,对传输方程进行了优化,大大减少了数值模拟运算时间。数值方法采用分布傅里叶方法。数值模拟结果表明：抽运光越强、抽运光-信号光波长比越大,信号光聚焦程度越大;抽运光-信号光初始偏移存在一个最佳值,使得光束聚焦达到最佳效果。通过参量最佳值的选择,可提高光束聚焦的效率。     

非线性介质中强光对弱光聚焦的控制研究

从理论和实验上分析了强光控制弱光脉冲聚焦的方法, 该方法可以灵活地控制弱光的聚焦过程和特性. 通过研究两光束共同传输, 利用强抽运光在相互作用时为弱探测光提供诱导非线性效应, 从而使弱探测光发生聚焦. 得到了在抽运光保持不变情况下探测光的解析解, 并在实验上得到验证. 进一步研究了强抽运光对弱探测光焦点位置的影响. 结果显示: 通过改变抽运光功率、束宽能够有效地控制弱探测光的聚焦过程和焦点位置. 关键词： 诱导聚焦 自聚焦 非线性折射率     

基于闪烁体3D剂量测量系统中光场重聚焦位置的标定方法

放疗中基于闪烁体光场成像的3D剂量测量方法是,利用光场相机对射线在闪烁体沉积能量所产生的闪烁光进行拍照,给出每一个聚焦层的光分布后进行三维重建,进而得出剂量的三维分布。光场相机所获取图像的重聚焦位置影响闪烁光三维重建的准确性,作者提出利用棋盘格标定板进行重聚焦位置标定的方法。使用Lytro Illum光场相机拍摄置于已知位置的棋盘格标定板,经光场数据处理得到焦点堆栈序列,利用刃边法得到所有重聚焦像的高斯离焦参数σ,经比较后获得最小σ对应的重聚焦参数α,最终给出若干α和重聚焦位置的对应关系,最终完成重聚焦位置标定。与常用的刻度尺标定方法相比,高斯离焦参数减小2%～10%,有利于放疗3D剂量测量精度的提高。     

三维自散焦介质中的暗光束诱导亮光束聚焦

为了获得一种对称压缩圆光束的方法,系统研究了三维自散焦介质中亮暗光束对的共同传输。数值结果表明:当两光束中心重合时,若抽运光(暗光束)初始振幅远大于信号光(亮光束)初始振幅,抽运光将通过交叉相位调制(XPM)诱导信号光聚焦,使得信号光的圆形光斑被对称压缩。讨论了光束参量对信号光聚焦效果的影响,发现抽运光初始振幅越大,信号光聚焦越强。当抽运光初始振幅一定时,暗光束的初始束宽存在最佳值使得信号光压缩最强。当抽运光与信号光的波长比取值为0.5~1.5时,信号光聚焦程度随着波长比的增大而有所降低。还设计了验证理论结果的实验方案。     

放疗3D剂量验证系统中光场相机点扩散函数获取

基于闪烁光场成像的放疗新型3D剂量测量中,需利用点扩散函数将每一个二维平面的真实闪烁光数据从重叠图像中提取出来。利用刀口法,结合光场数字重聚焦以及聚焦测距法,实验获取光场相机不同重聚焦位置处的点扩散函数,并给出棋盘格标定板在参数α=0.6时的重聚焦面聚焦在α=0.7位置处的高斯离焦点扩散函数表达式,研究光场相机点扩散函数的规律,通过测量几个必要值便可由函数拟合得到所有点扩散函数,减少光学分层成像中因分层数量增加引起的标定工作量。将结果引入图像处理,通过反卷积运算可获得每一个二维重聚焦面的真实闪烁光数据,有助于3D剂量的实时精确测量。     

双环贝塞尔-高斯径向偏振光束经介质分界面的强聚焦

基于矢量德拜理论,研究了贝塞尔-高斯径向偏振光束经过衍射光学元件(DOE)和高数值孔径(NA)透镜组成的光学系统后经介质分界面的强聚焦特性。设计DOE的参数对入射的贝塞尔-高斯径向偏振光束进行调制,在聚焦场中能得到沿光轴方向的三维多点光俘获结构-光链。研究结果表明,入射光束的拦截比(即透镜孔径半径与入射光束束腰半径比)、数值孔径和聚焦场介质折射率都会影响光束的强聚焦特性。当光束的拦截比增大到一个值时,聚焦场的光链会转变成暗通道,并且在不改变暗通道宽度的情况下,暗通道的长度会随着介质折射率的增大而增长。     

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.     

时域有限差分法利用聚焦光脉冲模拟介质球微粒所受单频光阱力

用三维时域有限差分法对光镊装置中介质球微粒所受光阱力情况进行模拟。根据Richards-Wolf矢量场衍射积分公式对消球差会聚透镜像空间中电磁场分布的表示,在总场空间中实现了对聚焦光脉冲的模拟。聚焦光脉冲与介质球微粒的相互作用,通过离散傅里叶变换提取出单频成分,利用计算光阱力的麦克斯韦应力张量公式,计算单频激光对介质球的光阱力。聚焦光脉冲的引入可以使一次计算得到多个频率下的计算结果。对相同的聚焦装置下介质球受不同频率入射光的光阱力情况进行了计算。计算结果表明使用线偏振光作光源时,大数值孔径聚焦透镜和短入射波长有利于介质球的横向操纵;沿光轴方向对介质球进行纵向操纵,需要大数值孔径的物镜和与之相适应的入射波长。     

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。     

高斯光束通过失调透镜系统的聚焦特性

为分析透镜系统中圆孔光栏和透镜失调对高斯光束聚焦特性的影响,利用椭圆光栏近似展开式和失调光学系统的广义衍射公式,推导高斯光束经含圆孔光栏失调透镜系统传输的近似解析式,得到输出光束光强极大值场分布与光束参量、孔径尺寸、光栏和透镜失调量之间的关系。针对特定透镜系统,定量分析失调量对输出光束聚焦特性的影响。结果表明:各元件的失调对输出光束聚焦特性均产生影响,在失调量较小时透镜横位移对输出光束聚焦特性的影响比透镜角位移对输出光束聚焦特性的影响更明显。     

不同数值孔径下调控矢量光束聚焦场的反向构建

根据电磁辐射理论和矢量光场积分理论,研究了矢量光束聚焦场特性与聚焦透镜数值孔径之间的关系。在透镜焦场区设定电偶极子阵列和磁偶极子阵列,收集其辐射场并反向聚焦,通过调控与优化偶极子阵列参数,反演不同数值孔径透镜下的聚焦光场,获得了聚焦光针场、三维衍射受限光管场随透镜数值孔径的变化规律。研究结果表明,随着数值孔径的减小,光针场的纵向分量纯度、边缘斜率以及光针长度递减,半峰全宽递增,光管场依旧保持纯方位角偏振分布,且中空区域的半峰全宽递增。研究结果对在不同数值孔径下矢量光束聚焦的应用研究具有重要意义。     

双光束在自散焦介质中对向共同传输时的诱导聚焦

对二维自散焦介质中双光束对向共同传输问题进行了系统研究.数值模拟结果表明：在适当的条件下，强的抽运光能通过交叉相位调制效应诱导弱的信号光聚焦.讨论了样品长度、抽运光初始振幅、信号光初始振幅及两光束中心初始横向间距4个参数对信号光聚焦过程的影响，发现存在最佳参数值，选择恰当的参数可提高光束聚焦的效率. 关键词： 自散焦介质 对向传输 诱导聚焦 交叉相位调制效应     

光束束宽对自散焦介质中诱导光束聚焦的影响

影响自散焦介质中诱导光束聚焦过程的方程参量和初始条件共有5个，即两光束波长比(方程参量)、抽运光和信号光的初始振幅、两光束初始束宽比和两光束中心初始间距。通过数值计算讨论了初始束宽比在不同初始光束间距和波长比情况下对信号光聚焦过程的影响，得到了信号光聚焦效果的最佳初始参量条件。从而实现了对影响自散焦介质中诱导光束聚焦过程5个参量的完整详细研究。     

基于扭曲向列液晶空间光调制器的矢量光生成

基于扭曲向列型液晶空间光调制器的旋光特性, 根据空间光调制器所加电压和加载相位与旋光角度的对应关系, 设计了可以生成多种涡旋矢量光的通用光路. 利用该原理和光路系统, 在实验上生成了多种携带轴对称相位的矢量光以及图案般复杂的矢量光, 观察和检测了它们的偏振特性, 获得了较好的实验结果. 并且模拟了具有涡旋相位的矢量光的紧聚焦场, 分析了它们的紧聚焦特性. 由于这种生成矢量光的方法光路装置简单、操作容易, 产生矢量光的过程中几乎不损失能量, 并且不存在聚焦过程, 因此在如强激光矢量光束与物质相互作用、激光加速等方面具有重要的应用潜力.     

基于可调谐复振幅滤波器的超长焦深矢量光场

根据矢量光场衍射积分理论和离散复振幅光瞳滤波原理, 通过一种由双λ/2波片和离散复振幅滤波器组成的可调谐复振幅滤波器, 研究了大数值孔径下超长焦深聚焦矢量光场的构建与调控. 给出了一个六环带区的离散复振幅滤波器, 对入射光场的偏振态、振幅滤波和相位滤波三者进行同步优化, 获得了焦深接近10λ的三维平顶光场; 通过调控双λ/2波片夹角来改变聚焦光场的矢量化结构, 使之在光针场、平顶光场、光管场及中间结构光场之间交替变化. 研究结果揭示了入射光场矢量化结构演化与聚焦光场矢量化结构变换之间的关系, 解决了获取动态的、可调控的超长焦深聚焦光场的问题. 两种基本的聚焦光场光针场、光管场的独自使用或三维平顶光场的调和使用, 将会在光学显微、光学微纳操控以及光学精细加工领域获得重要应用.     

激光谐振腔内光学元件的热光效应

本文分析了多模激光束加热内腔元件所引起的温度场分布及热聚焦效应。计算得到的LiNbO₃寻常光和非常光的输入功率-输出功率曲线与Konvisar等人的实验结果符合,修正了他们计算的非常光曲线。在实验上,也观测了LiNbO₃的内腔热光滞后现象,并测量了内腔热光聚焦效应。 关键词：     

新型衍射光学聚焦透镜元件设计

近年来，随着衍射光学技术的发展和应用，利用衍射光栅进行光束的谐波分离成为各国研究的新热点。我们基于傅里叶模矢量衍射理论方法设计了一种聚焦透射光栅（FTG）元件，它需要3种光学元件（谐波分离光栅、光束取样光栅及聚焦透镜）将实现的功能集成于一体。FTG的结构类似于离轴的菲涅尔波带片，它能将入射的平面波聚焦到一点。由于FTG针对三倍频光设计，只有三倍频光通过它后会聚焦到一点，而基频和二倍频光将直接通过，从而同时实现谐波分离及聚焦功能，而利用反射光即可实现对三倍频光的取样，原理见图1。     

高数值孔径聚焦三维光链的研究

通过设计衍射光学元件对入射矢量光进行调制，在高数值孔径聚焦系统焦点附近产生沿光轴方向的三维多点光俘获结构——光链.并针对不同的入射矢量偏振、聚焦透镜的数值孔径以及衍射光学元件结构，对光链性能的影响分别进行了系统的分析，实现对该独特光俘获结构的可控性研究. 关键词： 衍射光学元件 矢量光 光镊