用角谱方法分析固体浸没透镜的近场光场

固体浸没透镜在超高度近场光存储和超分辨率显微观测中具有独特的作用，本文利用角谱理论并计及光波的矢量特性，分析了固体浸没透镜的近场矢量光场特性，给出了它的光场图样，并着重讨论了线偏光入射条件下，出射光场的偏振状态。     

初级球差对矢量柱状贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

通过柱坐标下的的分析方法,获得径向偏振和方位角偏振贝塞耳-高斯光束经具有球差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场分布函数,根据光场分布函数模拟了不同球差系数下贝塞耳-高斯光束在焦平面和通过焦点的纵向切面上的光场分布.结果表明,在球差系数增加时,方位角偏振贝塞耳-高斯光束在焦平面上的圆环状光斑内半径逐渐变小到趋于恒定,而外环半径先减小后增大;而衍射焦点偏离高斯焦点的距离越来越大,纵向光强不再对衍射焦平面呈对称分布,调整离焦距离无法完全消除球差的影响;径向偏振贝塞耳-高斯光束会聚场的光强随初级球差的变化规律与方位角偏振贝塞耳-高斯光束的一致.     

The validity of high-pass angular spectrum filter in solid immersion lens system

应用矢量方法计算了具有高通角谱滤波器的固体浸没透镜（SIL）系统的焦场分布。数值结果显示，对于径向（角向）偏振输入光，高通角谱滤波器可以减小SIL系统的光斑（暗斑）大小。然而，对于线性偏振输入光，简单的高通角谱滤波器不能够优化SIL系统的光场分布，也不能够改进系统的光存储密度。     

FDTD方法对固体浸没透镜的光场分析

采用二维时域有限差分(2D-FDTD)方法研究了高斯光束通过固体浸没透镜(SIL)的光场分布特性.模拟结果表明,SIL的折射率越大,底面出射的光斑越小,但随离底面距离的增大光束很快展宽;当只有入射角大于全反射临界角、具有高空间频率的部分高斯光束聚焦到SIL底面金属膜中心的微孔时,针对不同直径的微孔,模拟了出射光场的分布,发现微孔直径在某一特定值时,出射光斑半径在距SIL底面近半个波长范围内无明显改变,该结果为增大SIL和存储介质间距的方案提供了理论依据.     

用两区π-相位滤波器改善超半球形固体浸没透镜显微系统的成像特性

利用矢量衍射理论分析了π-相位滤波器在超半球形固体浸没透镜显微系统中的超分辨特性.结果显示,光斑的增益、Strehl率和边瓣强度随相位区域边界呈现出同步的、只一个周期的振荡性变化.从辐射场和速逝场的角度解释了这种变化的原因.对于近场显微,速逝场起决定性作用.π-相位滤波器的相位区域边界角大于临界角时,才能产生较大的超分辨作用.滤波器边界参量等于0.743（对应的角度大于临界角）的π-相位滤波器,可以使系统分辨率提高16%.     

超半球形固体浸没透镜系统的亚表面显微

应用矢量衍射理论和薄膜光学方法,研究了有禁带存在时超半球形固体浸没透镜(SIL)系统的亚表面显微。模拟计算结果显示,光斑的强度,边瓣强度和光斑大小随禁带厚度发生振荡。光斑的大小和光斑的强度几乎是反相变化的。当禁带材料的折射率与固体浸没透镜(SIL)的折射率相匹配时,光斑的强度较大,分辨率较高。随着离开样品表面的距离的增加,光斑的强度不断减小,光斑的大小和边瓣强度逐渐增加。     

慧差对线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用Richards-Wolf矢量衍射积分公式,获得线偏振贝塞耳-高斯光束经具有初级慧差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场复振幅函数,根据复振幅函数模拟了不同慧差系数下线偏振贝塞耳-高斯光束各分量及总光场在焦平面上的光强分布模式。研究结果表明,初级慧差使线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦光场在焦平面的分布由双轴对称变成单轴对称,光强模式发生改变;各分量及总光场的光强模式中的光斑位置随初级慧差系数的增大偏离光轴;大的初级慧差使焦平面出现干涉条纹。     

超透镜聚焦光环的产生及其在冷分子光学囚禁中的应用

超表面可以对入射光场的相位、偏振、幅度等自由度进行精确调控,为发展下一代基于量子态片上实验平台提供了一种新途径,具有重要的应用前景.本文提出了一种新型的超表面结构,即具有不同占空比的硅结构光栅单元构成的超透镜,在焦平面上可形成聚焦光环.研究了在焦平面上环形光场的强度分布和不同数值孔径超透镜的聚焦特性.采用这种超透镜聚焦光环来构建一个氟化镁(MgF)分子的光学存储环,计算了MgF分子在聚焦光场中所受的光学势和偶极力,对MgF分子束在存储环运动过程进行了Monte-Carlo模拟.研究结果表明,设计的超表面结构具有很好的聚焦特性,聚焦光环的光场强度比入射光增强了55.1倍;同时可以实现对MgF分子的装载并囚禁在表面存储环内.     

彗差对线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用Richards-Wolf矢量衍射积分公式,获得线偏振贝塞耳-高斯光束经具有初级彗差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场复振幅函数,根据复振幅函数模拟了不同彗差系数下线偏振贝塞耳-高斯光束各分量及总光场在焦平面上的光强分布模式。研究结果表明,初级彗差使线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦光场在焦平面的分布由双轴对称变成单轴对称,光强模式发生改变;各分量及总光场的光强模式中的光斑位置随初级彗差系数的增大偏离光轴;大的初级彗差使焦平面出现干涉条纹。     

初级球差及孔径对径向偏振高阶矢量贝塞尔-高斯光束聚焦的影响

在束腰不在物镜入瞳位置的一般情况下,利用理查德-沃尔夫矢量衍射积分公式获得了径向偏振高阶矢量贝塞尔-高斯光束通过有初级球差和受孔径限制的物镜聚焦的三维光场的径向,方位角和纵向分量表达式。数值模拟了入射光束受圆孔径和环形孔径限制情况下初级球差对光场分布的影响。结果表明:球差对焦平面光场分布的影响是非常小的,尤其是环形孔径限制情况下球差的影响可以完全忽略;在受圆形孔径限制情况下,光束经有球差物镜聚焦后,焦平面前后的光场分布不再对称。球差导致在焦平面各点的强度分布变化并不总是一致变大,或一致变小;使用环形孔径时光束聚焦后的光斑尺寸要远小于使用圆形孔径时光束聚焦后的光斑尺寸。     

正交偏振板对聚焦光斑偏振特性的影响

在间接驱动的惯性约束聚变(ICF)驱动器中,为控制靶腔入口及其附近光场的偏振特性及辐照均匀性,采用二维光谱角色散(2D-SSD)、随机相位板(RPP)和正交偏振板(OPCP)联用的束匀滑方案,数值模拟和理论分析了OPCP对焦面及离焦面处光场偏振特性以及强度均匀性的影响,并讨论了正交偏振板单元数的选取问题。结果表明,不同单元数正交偏振板对焦面及其附近光场偏振特性和强度均匀性的影响程度不同,且光场偏振特性对离焦并不敏感。此外,离焦会使强度均匀性变差,适当增加正交偏振板单元数可以在一定程度上减弱这种影响。     

由Strehl比判断光学系统实际分辨能力

提出了一个根据Ｓｔｒｅｈｌ 比评价光学系统实际分辨能力的近似方法。用高斯分布函数逼近点光源在光学系统焦面上的像斑光强分布,根据瑞利判据,导出了光学系统分辨能力与Ｓｔｒｅｈｌ 比的关系方程。它可根据系统的Ｓｔｒｅｈｌ 比来判定像面上的两个像斑能否分辨开来。     

Diffraction patterns of off-axis gaussian beams in the presence of third-order spherical aberration in the optical system

The intensity distribution of diffraction patterns for off-axis gaussian beams at the image plane of an optical system with third-order spherical aberration is calculated by using the concept of the beam aberration function previously introduced by the present authors. The results show how the peak intensity of the diffraction patterns diminishes and how the transversel focal shift occurs as a function of the incident position of the beams at the pupil plane and their beam size.     

成像过程的计算机模拟

按照阿贝二次成像理论,物体成像经历了两个过程：（１）物面上光场复振幅的空间分布,变换成光学系统后焦面上的频率分布;（２）后焦面上的频率分布还原成像面上的光场复振幅空间分布。本文介绍了如何用计算模拟这两个过程,设计的空间滤波器可以随意改变频谱分布,并可观察到像面上对应的变化。     

小孔阵列衍射特性与应用

以单色标量波衍射理论为基础,研究了均匀平面波从不同角度入射小孔阵列的衍射特性。运用单孔衍射理论,同时考虑相邻小孔间衍射光强的相互影响,建立了小孔阵列衍射的理论模型和光强分布的数值积分式,小孔为硬边小孔。利用Matlab对500 nm波长的平面波入射微小方孔阵列衍射图样进行了计算机仿真,得到了不同几何参量下平面波从不同角度入射时的衍射图样的一维和二维光强分布图,并将仿真结果用于微型数字式太阳敏感器的光学系统中的结构参量设计和图像处理中的参量确定。太阳敏感器的成像实验结果表明,小孔阵列衍射光强分布图的仿真结果正确、太阳敏感器光学系统参量设计合理。小孔阵列衍射理论为太阳敏感器的光学系统设计和图像处理提供了可靠的理论基础。     

球差对圆偏涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用理查德-沃耳夫矢量衍射积分,分析了初级球差对圆偏振涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响,获得不同球差系数下的光强分布.结果表明,当初级球差系数增加,会聚光点偏离系统焦平面,纵向光场发生改变;焦点光强逐渐减小,焦平面光场发生变化;光轴上光强峰值逐渐减小,峰值两侧的旁瓣变化趋势相反,光强由对称分布变成非对称分布;初级球差对贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响不依赖其偏振态;离焦无法完全补偿初级球差对聚焦光场的影响.     

Focal patterns of higher order hyperbolic-cosine-Gaussian beam with one optical vortex

Intensity distribution in focal region plays an important role in many optical systems. In this paper, the focal patterns of higher order hyperbolic-cosine-Gaussian (HOCG) beam in focal plane were investigated. The HOCG beam contains one spiral optical vortex on its optical axis. Results show that the focal pattern can be altered considerably by beam order of the incident HOCG beam, and some novel focal patterns may occur, including foursquare focal pattern, cross-shaped dark focal focus, foursquare intensity peaks chain, and multiple intensity peaks array. Focal pattern evolution principle on increasing beam order also differs remarkably under condition of different topological charge of the optical vortex and displacement parameter associated with the cosh parts. And like topological charge and displacement parameter, the beam order and numerical aperture may affect focal pattern.     

Optical readout method based on a narrow-strip filter for microcantilever array sensing

An effective optical readout approach based on a narrow-strip filter is presented to detect bends of a bimaterial microcantilever focal plane array, by which light intensity of the image plane (CCD image sensor plane) can be increased and its uniformity on the image plane effectively enhanced. It reduces the noise equivalent temperature difference of the microcantilever focal plane array IR imaging system and improves uniformity of the IR images. A comparative experiment is designed to verify effectiveness. The experimental results show that the proposed method has advantages of preferable effect.     

Study on polarization effect of azimuthally polarized LG beam in high NA Lens system

Based on vector diffraction theory, the intensity distributions of azimuthally polarized double-ring-shaped higher order beams near the focus are calculated numerically. It is shown that a subwavelength focal hole with a quite long depth of focus, multiple focal holes are achieved near the focus, when tuning β (is the ratio of the pupil radius to the beam waist) in the focal plane for different modes under tight focusing through high NA lens. Such kind of beams plays an important role in optical trapping, laser cutting and optical manipulation applications.     

无狭缝一步彩虹全息的新方法

本文提出一种新的三维漫射物体的一步彩虹全息方法.该法是在曝光过程中将被摄物体与成像透镜同时沿垂直光轴方向移动,并通过场镜使合成狭缝直接成像在场镜后焦面上,可得到较大观察范围的无畸变彩虹全息像.