基于双柱透镜慢轴准直激光二极管堆栈光束匀化系统

为实现高功率激光二极管堆栈光束的匀化与整形,提出基于双柱透镜慢轴准直的匀化系统。利用双柱透镜实现对高填充因子激光二极管慢轴方向光束发散角度的压缩,降低成像型多孔径光束积分器中微透镜的数值孔径,减小匀化系统体积。通过三个限定条件确定了双柱透镜参数取值范围,并通过像差分析对双柱透镜进行了优化,实现慢轴方向光束剩余发散角度1.74。结合成像型多孔径光束积分器,设计了激光二极管堆栈的匀化系统,并进行了实验测试。实验结果表明,在中心光斑尺寸约为6 mm6 mm范围内,光斑不均匀性为8.11%。     

基于双复眼透镜的三基色激光合成均匀白光束

为获得高亮度均匀白光束,基于复眼透镜光束匀化原理,设计了一套以三基色半导体激光器为光源的双复眼透镜光束匀化合成光学系统。该系统包含两套复眼透镜模组,第一套模组将分立三基色激光束聚焦合成均匀白光斑,第二套模组将白光斑转换为空间均匀白光束。对系统进行仿真,并对空间不同位置处的光分布进行照度和色度均匀性分析,结果表明所得光束为均匀白光束,理论上验证了该光学系统的可行性。搭建了实验光路,分别在距离系统1、2、5 m处对合成白光束进行测量,结果表明合成光束照度均匀性均大于90%,色坐标标准差均小于0.0027。该光学系统合成的白光束具有亮度高、色坐标和强度分布均匀等优势,有望在医用光疗、显示、车用照明等领域得到广泛应用。     

微透镜阵列误差对半导体激光匀化性能的影响

为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响,深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响,设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同,将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析,并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证,实现了均匀性为90.75%的光斑,并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。     

随机位相菲涅耳透镜阵列激光束匀化

为降低干涉带来的影响,将一种随机位相分布引入菲涅耳透镜阵列,对阵列中每一个菲涅耳透镜施加0或π的二值化位相变化,打乱阵列位相的周期性排布,减少微透镜后多光束在匀化面干涉带来的影响.通过数值计算对激光束的匀化过程进行了模拟,设计的菲涅耳透镜口径为0.5 mm,焦距为6mm,阵列数目为20×20,光斑整体均匀度达到90%,光束能量利用率达到96%.利用设计和制备的16台阶随机位相型菲涅耳透镜阵列对1 064nm波长的激光光束进行匀化,均匀度为83%,光束能量利用率为89%.研究结果表明,通过引入随机位相可有效减少干涉带来的影响,提高微透镜阵列对单模高斯光束的匀束效果.     

散焦光栅测量光束漂移的光路设计仿真

传统的光束漂移量测量系统利用近、远场测量设备分别测量光束的平漂量和角漂量,结构复杂、实时性低。散焦光栅焦平面处正、负一级衍射斑的位置变化可同时反映光束的平漂量和角漂量,为验证该理论、搭建简化的测量系统需要对光路设计进行仿真。基于散焦光栅的成像机理,利用Matlab软件构建了光束通过散焦光栅的成像模型,仿真结果与理论分析一致;最后对光栅和透镜等不同光路设计参数与最大漂移量测量幅值的关系进行了模拟。结果表明,在成像单元约1 cm2、短焦透镜焦距约12 cm的条件下,为实现漂移量测量精度和可测幅度的最大化,散焦光栅需要离轴15 mm,散焦光栅与短焦透镜的焦距比为6。     

聚光器聚焦光斑能流密度分布的测量与分析

采用基于CCD相机和朗伯靶的间接测量方法,对旋转抛物面聚光器焦平面和多个离焦面的能流密度分布进行了测量。研究了系统的标定方法,并对每个面内的光斑特性进行分析。结果表明：通过对各个接收面光斑特性的比较,可以判断聚光器真实焦点的位置;随着接收面离焦量的增大,光斑直径变大,能流密度峰值减小,形状越来越不规则。这项研究为聚光系统的热利用和接收器的设计提供了依据。     

航天CCD相机焦面位置地面标定方法研究

为了在地面试验阶段准确标定出航天CCD相机在轨成像时的像面位置,提出了一种基于自准直干涉测量原理和调制传递函数测量原理的航天CCD相机焦面位置的地面标定方法。介绍了该方法的原理和实施过程,并以口径1 m、焦距20 m的平行光管标定口径600 mm、焦距6 m的航天CCD相机为例,分析并计算了新标定方法和已有标定方法的标定精度。结果表明:新标定方法的标定精度优于0.006 mm,是已有标定方法标定精度的5倍至10倍,能够满足现阶段所有航天CCD相机的焦面位置的标定精度要求。     

多焦距微透镜阵列光场成像火焰三维温度场测量

多焦距微透镜阵列可提高聚焦光场相机的深度分辨率。为了研究多焦距微透镜阵列对光场成像火焰三维温度场测量的影响,本文在火焰辐射光场成像模型的基础上,分析了单焦距微透镜阵列和多焦距微透镜阵列的火焰辐射光场成像特征,计算了两种不同微透镜阵列下的火焰辐射图像,根据火焰光场图像重建了火焰的三维温度场。开展了多焦距微透镜阵列聚焦光场相机火焰三维温度场重建的实验研究,并对数值计算和实验结果进行了分析。     

利用CCD准确测量激光远场发散角

 利用CCD面阵接收器,通过标定的方法,将其准确安置在长焦距透镜后焦面上,并找出CCD 象元数与原场发散角的对应关系,从而迅速确定远场发散角。同时用短焦距透镜对 光束限制光阑成像,测得近场光斑光强分布。以激光束振幅函数的傅里叶变换作为理想衍射 极限,将远场发散角与之比较,可以得到用几倍衍射极限的方法表示的实际光束质量。     

成像法测量脉冲激光远场能量密度的模型及不确定度分析

 设计了基于漫反射成像法测量脉冲激光远场能量分布的方案,在相机标定的基础上建立了CCD图像灰度值与漫反射板上脉冲激光能量密度对应关系的数学模型,该模型考虑了漫反射板的漫反射率和CCD像元响应度的空间不一致性,并对不同测量位置的离轴角的影响进行了修正。分析表明:CCD灰度值、镜头透过率、漫反射率和CCD响应度的不确定度传播系数为1,镜头光圈数的不确定度传播系数为2,镜头焦距的不确定传播系数随离轴角增大而增大,成像中心像素坐标的不确定度传播系数在图像顶点处最大。针对相机标定实验中发现的利用Tsai单视角共面点标定相机得到的镜头焦距与实际存在较大偏差问题,指出对于定焦镜头,应该采用其它离线方法进行准确标定;对于变焦镜头,可采用单视角非共面点或多视角共面点进行在线标定。     

微透镜变化对半导体激光器光束匀化效果的影响

为了实现高均匀性的半导体激光器泵浦光源,研究了成像型光束积分器中微透镜的变化对泵浦光均匀性的影响。详细讨论了微透镜数值孔径与入射光束的角度匹配的问题。推导了高斯光束经成像型光束积分器的光场分布模型,分析了微透镜的边缘衍射对光斑均匀性的影响,明确了微透镜孔径大小的取值范围,并利用ZEMAX进行了系统仿真及实验验证。结果表明,经优化后的成像型光束积分器实现了不均匀性为8.11%的矩形光斑。     

随机电磁涡旋光束的深聚焦特性

基于德拜矢量积分理论,研究了随机电磁涡旋光束经过大数值孔径透镜之后的聚焦特性及透镜的数值孔径、入射光束的偏振度、拓扑荷以及横向相干长度对焦平面附近聚焦光束的光强分布和相干度的影响.结果表明:适当地选择相关参量,可在焦平面上得到椭圆形光斑的光强分布以及平顶光强分布.随机电磁涡旋光束在焦平面上同一点处两个相互垂直分量之间的...     

激光热透镜焦距测量实验及其公式改进

通过平平非稳腔法对激光热透镜焦距进行了实验测量,研究了不同抽运光束腰位置对热透镜焦距的影响.从理论上引入抽运光远场发散角和束腰位置,对端面抽运激光晶体热透镜焦距公式进行了改进.     

固体浸没透镜出射光场偏振特性研究

在固体浸没透镜近场光存储中, 光的偏振对近场光场分布具有很大的影响. 采用三维时域有限差分法, 对聚焦线偏振高斯光束通过固体浸没透镜后焦平面上各分量场分布及距离焦平面不同位置光斑图样进行了模拟. 结果表明在焦平面上及距离焦平面较近的近场区域, 出射光场在与入射光偏振垂直方向出现显著的场增强现象, 从而使光斑图样呈近似椭圆分布; 而在距焦平面较远的远场区域光斑图样趋向圆形对称分布.     

切伦科夫辐射“双成像法”测量电子束发射度

利用切伦科夫辐射,OTR或荧光靶等光学诊断方法进行发射度测量,国内外绝大部分实验是用CCD相机观测电子束打靶产生的光斑,变化四极透镜的磁场梯度,应用“三梯度法”计算出发射度.文中提出了一种新的“双成像法”测量方法,使切伦科夫辐射光通过一长焦距的消色差薄透镜,分别在焦平面和像平面获取图像.通过图像处理,前者可分析出电子束散角分布,后者可分析出电子束径向分布,从而直接得到均方根发射度.该方法对束流相空间和电荷密度分布无需假设,无需借助“三梯度法”,较其他常规测量方法具有实验装置更简便、测量精度更高和适用性更广等优点.文中给出了该测量方法对北京大学DC?SC光阴极注入器的发射度测量进行计算机模拟实验的结果和分析.     

基于微透镜阵列的大功率紫外激光匀化技术

应用于激光剥离、激光退火、激光转移等领域的大功率纳秒紫外激光器的输出激光通常是强度分布不均匀的部分相干光,为满足精密加工的高均匀度要求,开展了基于成像型微透镜阵列的紫外激光匀化技术研究。利用伪模分解理论和角谱衍射传输算法,建立了快速计算部分相干光通过微透镜阵列匀化系统的数值模型,并以准分子激光为仿真光源,通过对离焦量、阵列间距等参数的分析,确定了最佳设计参数,实现了边缘锐利的高均匀度方形光束输出。此外,详细讨论了微透镜阵列失调对光束形貌和均匀度的影响,并通过实验说明了理论设计的可靠性和参数影响分析的准确性。     

亚微米局域空心光束的产生及其在单原子囚禁与冷却中的应用理论研究

提出了一种采用单模光纤、环形二元相位板和微透镜组成的光束整形系统产生亚微米局域空心光束的方案. 根据瑞利-索莫菲衍射积分公式, 数值计算了微透镜焦平面附近的场分布, 详细研究了空心光束的暗斑尺寸与单模光纤模场半径和微透镜焦距的关系. 数值计算结果表明: 在微透镜焦平面附近光场分布近似对称, 在焦点处场强近似为零, 周围场强逐渐增大, 形成半径约为0.4 μm的三维封闭的球形空心光场区域, 即亚微米局域空心光束. 当局域空心光束为蓝失谐时, 光场中的原子将被囚禁在光场最弱处. 若加上抽运光, 原子将受到蓝失谐局域空心光束与抽运光共同激发的强度梯度Sisyphus冷却. 本文利用该方案产生的亚微米局域空心光束构建单原子的囚禁与冷却器件, 并以单个⁸⁷Rb原子为例, 利用Mont-Carlo方法研究亚微米局域空心光束中单原子囚禁与强度梯度冷却的动力学过程, 结果表明利用该器件可以获得温度在5.8 μK量级的超冷单原子.     

纹影法测量远场焦斑实验研究

 报导了用纹影法测量远场焦斑的实验结果。远场焦斑经成像透镜放大成像后，由12bit，1 024×1 024面阵科学级CCD相机采集。将一定大小的小球放置在焦斑位置，用以遮挡光斑中心，控制CCD前的衰减可得旁瓣信息，将其与无遮挡光斑拼接，得到焦斑相对强度的完整分布。该方法扩展了焦斑光强测试的动态范围，可探测焦斑约4个量级的光能密度分布，提高了焦斑的测量精度。     

应用于Mini-LED背光的双自由曲面透镜设计

提出了一种单个透镜目标面照度分布的设计方法,根据背光中Mini-LED光源数量及阵列排布间距、混光距离、目标面光斑半径等信息,建立了背光目标面上照度值与单颗透镜目标面照度分布之间的映射矩阵,通过LSQLIN迭代优化算法得到单颗透镜目标面照度分布,最后采用光源-目标面能量映射法设计双自由曲面透镜。以Mini-LED阵列排布间距为39 mm×30 mm、混光距离为6 mm且目标面光斑半径为40 mm为例进行设计。仿真结果表明,所设计的透镜阵列应用于光源数为5×5的Mini-LED背光时,目标面照度均匀性达到87.45%,对比常用的均匀分布及高斯分布分别提升6.24%和3.34%。本方法在确保背光照度均匀性的前提下降低了透镜设计的计算复杂度,无需大量的后续优化工作,为Mini-LED背光中双自由曲面透镜的设计提供了一种实用有效的方法。     

基于像散法的线阵CCD相机检焦技术

航天立体测绘相机受卫星发射过程的振动、冲击以及复杂的空间环境的影响,相机的靶面将不同程度地偏离相机的焦平面,导致图像分辨率下降.对于测绘相机,其主点位置和主距变化量直接影响地面目标定位准确度.为了弥补利用编码器进行检焦的不足,提出了一种基于像散量的检调焦方法.该方法采用四象限光电探测器测量相机靶面变化引起的像散量,参照已标定的靶面位置与像散量之间的关系,计算出靶面偏离相机焦平面的实际大小和方向.这种检焦方法包含引起相机靶面离焦的所有因素,试验结果表明,基于像散法的测绘相机调焦机构的分辨率可达0.025mm.