金属薄膜亚波长微结构的光束集束器件设计

利用时域有限差分方法,模拟了P偏振光高斯光束入射到金属银亚波长细缝与光栅结构的透射情况.由于表面等离子激元波的影响,对称光栅结构透射光呈现对称出射,而非对称结构可以实现小角度定方向的光束集束现象.借助公式推导法及Helmholtz互易定理,可设计出平行入射P偏振光的光束集束器件.由于高斯光束本身的发散性及近场分布的需要,针对高斯光束的器件在结构参量上缩小了12%.在对其他结构参量的优化的基础上,实现了针对633 nm高斯光束的对称出射及光束集束器件的设计.     

金属薄膜亚波长微结构的光束集束器件设计

利用时域有限差分方法,模拟了P偏振光高斯光束入射到金属银亚波长细缝与光栅结构的透射情况.由于表面等离子激元波的影响,对称光栅结构透射光呈现对称出射,而非对称结构可以实现小角度定方向的光束集束现象.借助公式推导法及Helmholtz互易定理,可设计出平行入射P偏振光的光束集束器件.由于高斯光束本身的发散性及近场分布的需要,针对高斯光束的器件在结构参量上缩小了12%.在对其他结构参量的优化的基础上,实现了针对633 nm高斯光束的对称出射及光束集束器件的设计.     

单平行平板剪切干涉的实验研究

从大学物理教学的角度,阐述了单平行平板横向剪切干涉的原理,在此基础上提出了一种单平行平板剪切干涉的物理实验方法,分析了实验现象,并用该方法测定了光束的发散角,将测定结果的不确定度与传统方法测定结果的不确定度进行了比较.实验结果表明:在入射光束像差较小、剪切干涉呈现直条纹图样时,光束的发散角越小,测量精度越高.剪切干涉实验引入到大学物理教学中,可以丰富光的干涉原理的教学内容,拓充干涉原理在工程技术中应用的实例.     

微光束平移尼科耳棱镜的设计

从惠更斯原理出发,根据e光在晶体中的传播特性,从理论上详细分析了光平行于常规尼科耳棱镜长边入射时透射光相对入射光的平移并得出了光束平移的公式.通过分析发现,随结构角γ的增大光束平移量d变小的趋势十分明显.运用数学方法求出了一种光束平移量最小的尼科耳棱镜形式.     

格兰-泰勒棱镜透射光强分布研究

从棱镜的结构特点出发,结合菲涅耳定律和等厚干涉原理,导出了格兰-泰勒棱镜透射光强分布的有关公式,分析了在平面光波和会聚光束入射时,光强分布特征,并进行了实验测试,测试结果与理论结果相一致.理论和实验结果表明：平面光波入射时,产生等间距和等相衬度的条纹;发散光束入射时一般产生不平行的、宽度和相衬度连续变化的条纹.     

马普-赫斯棱镜对单模高斯光束光强分布影响分析

根据光在马普－赫斯棱镜两空气隙胶合层中的干涉效应,分析了其对单模高斯光束光强分布的影响.结果表明,对于某一高斯光束入射棱镜时,透射光束光强将随入射角的变化而呈现周期性的振荡;对于正入射的光束,当空气隙的厚度一定时,透射光强随棱镜两空气隙结构角的变化作周期性振荡;当结构角一定时,透射光强随空气隙厚度的变化作周期性变化;且透射高斯光束的形状也随棱镜结构的改变发生变化,表明,可以通过选择合适的棱镜结构以减小棱镜对透射光束的影响,对于成品棱镜,则可通过改变入射角使棱镜的性能达到较佳状态.     

准直圆孔衍射高斯光束远场发散度

将夫琅和费衍射积分中的贝塞尔函数用高斯函数近似,得到经圆孔径准直光学系统衍射后高斯光束远场发散角的近似解析式.在不同衍射情况下,将其与严格夫琅禾费衍射积分进行比较,发现二者求解出的远场发散度接近.衍射孔径大小相同情况下,近似解析式与真实值的误差随准直前光束初始束腰的增大而减小;初始束腰不变的情况下,随着衍射孔径的增大,误差值略有上升,但最终趋于平稳.在初始束腰半径不小于2μm的前提下,误差值最大不超过3.4%.该近似解析式在各种衍射情况下都能较为准确地表征准直圆孔衍射高斯光束远场发散度,且形式简单.对比不同衍射孔径和光束初始束腰条件下的光束发散度仿真结果可知,光束发散度随衍射孔径的增大而减小,随初始束腰的增大而增加.     

倾斜入射楔形薄膜滤光片的透射光谱研究

角度调谐薄膜滤光片因较大的波长调谐特性和良好的矩形度在密集波分复用系统中得到了广泛的应用。在倾斜入射时薄膜滤光片透射光谱的透射率和半宽不仅受到入射角度的影响,还跟滤光片两端面间的非平行度即楔角的大小有关。详细分析了楔角对对滤光片透射率以及半宽的影响,发现适当的楔角和角度取向能够改善倾斜入射状态下滤光片的透射光谱特性。设计制备了楔角为0.8°的楔形薄膜角度调谐滤光片,实验结果证明保持该楔角的方向与倾斜入射角度相同时会严重的劣化透射光谱的透射率和矩形度,方向相反时则可以提高光谱的透射率以及矩形度,并使器件的波长调谐范围增大约10 nm。     

卫星角反射器有效衍射区域的研究

本文基于角反射器的几何结构模型,采用矢量形式的折反射定律,推导了在不同入射条件下有效衍射区域的数学表达式.通过数值模拟的方法分析了有效衍射区域的变化规律,以及该规律对远场衍射光强空间分布的影响.结果表明,随着光束入射角的增加,有效衍射区域逐渐减小,进而导致角反射器衍射强度发散程度增加.光束方位角的引入不会改变有效衍射区域的形状和衍射强度的总能量,而只会使其各自分布旋转方位角的大小.在不考虑大气效应的情况下,根据不同入射条件对应的衍射强度分布,并结合速差补偿理论,提出了一种全新的角反射器口径设计方法.     

高斯光束斜入射窄带滤光片的透射光强分布

基于多光束干涉原理,推导了高斯光束斜入射角度调谐窄带滤光片后的透射光强表达式.在此基础上研究了入射角对高斯光束的透射特性的影响.计算和实验结果表明:随着入射角的增大,透射光强的光斑会出现一定程度的展宽现象;当入射角度较小时,输出为单一光斑,但其光强峰值位置产生了一定的偏移,并不在呈现高斯分布;当入射角度较大时,输出则为一系列的离散光斑.     

高斯光束斜入射窄带滤光片的透射光强分布

基于多光束干涉原理,推导了高斯光束斜入射角度调谐窄带滤光片后的透射光强表达式.在此基础上研究了入射角对高斯光束的透射特性的影响.计算和实验结果表明：随着入射角的增大,透射光强的光斑会出现一定程度的展宽现象|当入射角度较小时,输出为单一光斑,但其光强峰值位置产生了一定的偏移,并不在呈现高斯分布|当入射角度较大时,输出则为一系列的离散光斑.     

能见度仪探测光束平行度检测方法

为实现能见度计算中消光系数的正确测量,论述了光源平行度在能见度测量中的重要作用,设计了探测光束发散角检测方法与测量装置。该装置包括定焦成像系统和移动光源的直线系统,利用成像关系与空间几何关系推导了发散角表达式。以紫外LED作为实验光源,设计完成了测量系统成像装置与控制软件,计算得到水平方向与垂直方向发散角,利用所得发散角分析探测光束。实验结果表明,紫外LED光源的光束发散角水平与垂直方向分别为78°和69°,经比较得到未加入平行度的能见度与加入后的比值为051。该方法测得的能见度值更接近于实际值。     

非平行条件下高斯光束斜入射窄带滤光片的透射光强分布

基于多光束干涉原理,推导了斜入射状态下非平行角度调谐滤光片的高斯光束透射光强表达式.在此基础上研究了高斯光束的入射角以及非平行滤光片两端面间所存在楔角对透射光强分布的影响.计算和实验结果都表明,滤光片的透射光强分布不仅与入射角有关,非平行滤光片两端面间楔角的大小和正负特性还会在很大程度上影响斜入射时滤光片的光场分布、透...     

能见度仪探测光束平行度检测方法

为实现能见度计算中消光系数的正确测量,论述了光源平行度在能见度测量中的重要作用,设计了探测光束发散角检测方法与测量装置。该装置包括定焦成像系统和移动光源的直线系统,利用成像关系与空间几何关系推导了发散角表达式。以紫外LED作为实验光源,设计完成了测量系统成像装置与控制软件,计算得到水平方向与垂直方向发散角,利用所得发散角分析探测光束。实验结果表明,紫外LED光源的光束发散角水平与垂直方向分别为7.8和6.9,经比较得到未加入平行度的能见度与加入后的比值为0.51。该方法测得的能见度值更接近于实际值。     

猫眼逆反射器的设计与优化

按双半球结构设计了猫眼逆反射器，并指出当折射率n＝2时，猫眼可以设计成一个完整的球体。详细研究了猫眼逆反射器的各种因素对光路光程的影响，指出加工时必须要控制两半球的对心偏差（包括胶合厚度偏差）。对猫眼返回光束的发散角进行了研究，详尽讨论了返回光线的发散角与球半径、材料折射率以及入射高度的关系。以猫眼返回光束的发散角最小为优化目标进行了优化设计，并给出猫眼的最佳设计参量。     

利用含二面角误差的角锥棱镜阵列实现反射光束均匀发散的方法

角锥棱镜常应用于光电跟踪、卫星通信、干涉仪等领域.在一些特殊应用场合中,要求经角锥棱镜反射的光束具有一定的发散角,以实现对距离激光器较远位置处探测器的覆盖.由于标准角锥棱镜不具备对光束发散的功能,本文利用含二面角误差的角锥棱镜对反射光束的不均匀发散特性,提出利用角锥棱镜阵列实现对反射光束均匀发散的方法和设计原则.采用衍射光学理论分析了所提方法及其设计原则的可行性,并依此设计了一个发散半角为0.5 mrad的角锥棱镜阵列.分析了光束参数、结构参数对反射光束远场衍射特性的影响,结果表明,入射光斑强度分布对反射光束发散半角没有影响,当角锥阵列满足点光源条件时,传输距离对反射光斑的角向均匀性没有影响;当阵元数超过一定值时,均匀性不再显著变化,但反射光斑的强度将进一步增加.在工程应用中,角锥棱镜阵列安装方位角误差对反射特性影响不显著,但角锥棱镜二面角的加工精度对反射特性影响较大,可通过进一步增加阵元数加以解决.     

利用平凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束发散的方法

角锥棱镜常被用作光电测距和光电跟踪的合作信标。在一些特殊应用场合中,要求被角锥棱镜反射的光束具有一定的发散角,以实现对远场不同位置处激光器和探测器的全覆盖。标准角锥棱镜不具备对光束发散的功能,但是可以利用角锥棱镜中光束出射点与入射点不同的特性,在标准角锥棱镜前加装平凹透镜来实现对反射光束的发散。采用理论分析方法和几何光学追迹模拟方法分析了利用平凹透镜和标准角锥棱镜实现反射光束发散的可行性,同时研究了反射光束发散半角与入射光束参数和平凹透镜几何参数的定量关系。理论和模拟结果都表明,当入射光束半径小于平凹透镜半径时,反射光束的发散半角随入射光束半径准线性增加;平凹透镜曲率半径越小,反射光束发散半角越大。     

角度调谐滤光片特性分析及膜系设计

对窄带滤光片的倾斜入射特性作了分析.斜入射时其透射通带和峰值会向短波方向移动,透射曲线的稳定性跟滤光片的间隔层结构相关,多腔间使用相同的间隔层可以保证斜入射时有稳定的峰值透射率和带宽,利用该特点可以制备角度调谐窄带滤光片.透射光S和P偏振分量的中心波长随入射角度的增大出现分离现象,产生较大的偏振相关损耗.通过搭配不同厚度的高低折射率材料作为间隔层,改变其有效折射率,使其两个偏振分量的中心波长实现重合.设计了符合密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系统要求的低偏振相关损耗四腔窄带角度调谐滤光片膜系,其可调谐范围达20 nm以上,并评估了所设计角度调谐滤光片的调谐性能.     

复宗量厄米-高斯光束在大气湍流中的传输特性

采用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分方法和Wigner分布函数的二阶矩定义,推导出在直角坐标系下激光光束经大气湍流传输的远场发散角、束宽以及M2因子的解析表达式,并以复宗量厄米-高斯(EHG)光束为例,定量分析了EHG光束在大气湍流中的传输特性。研究表明,光束在大气湍流中传输后的M2因子与入射面上的M2因子、入射面的二阶矩、传输距离、波数以及湍流的影响因子有关;随着在大气湍流中传输距离的增加,EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子均会逐渐增大;大气湍流对高阶EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子的影响更小;EHG光束在大气湍流中的M2因子与传输距离、湍流的折射率结构参数、光束波长、光束阶数以及基模高斯光束的束腰宽度密切相关。     

光纤空气隙法布里-珀罗标准具透射谱线型研究

空气隙法布里-珀罗(F-P)标准具是一种常见的光无源器件,其作为滤波器广泛应用于光通信、光电测量和光传感领域。根据经典干涉理论,F-P标准具的光谱为周期出现的洛伦兹峰。但在对F-P标准具透射谱的校准与拟合过程中,发现其透射峰存在左右不对称以及展宽现象,导致使用经典洛伦兹公式的拟合误差较大。通过分析透射峰不对称度和展宽间的关系,并考虑光纤准直器的发散角以及F-P标准具的装配误差因素,提出了一种基于传统F-P干涉理论并融合发散角与入射偏角的多峰叠加拟合公式。使F-P透射谱的拟合方差提高到0.008、重合精度为0.9998,与基于洛伦兹线型的拟合结果相比提高了近15倍。该研究提供了一种对光纤空气隙F-P标准具透射谱精确拟合的方法,并对其设计以及装配工艺有着重要的指导意义。