激光波带片衍射性质的数值模拟

根据亥姆霍兹-基尔霍夫积分,对菲涅尔波带片的高斯激光场在轴向、径向强度分布进行了理论分析,研究了高斯激光束照射下波带片的衍射场规律.数值计算表明：沿轴向光场呈系列焦点,各焦点附近光强分布有振荡现象,随焦点级次的增大光强迅速增大；有焦移现象,焦移量随焦点级次的增大而增大；焦深随焦点级次的升高按平方反比律减小,随波带数减小或焦距增大而增大.在焦平面上,光斑大小与最外环宽度成正比,与焦点级次成反比.     

轴棱锥透镜面形偏差对无衍射光束传播特性的影响

为了探究轴棱锥透镜面形偏差对无衍射光束传播特性的影响,建立了三种相对理想锥镜母线的偏离模型,即母线向内侧凹陷、外侧凸出、顶点呈双曲线分布的轴棱锥透镜.推导了各偏离锥镜的振幅透过率函数,并基于菲涅耳衍射理论对平面波经三种母线偏离锥镜的出射光场及光强分布进行了理论分析与数值模拟.结果表明:锥镜母线内凹时,光场强度变小,焦深延长,纵截面光场逐渐发散,沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变大;锥镜母线外凸时,光场强度激增,焦深变短,纵截面光场逐渐汇聚,沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变小;锥镜顶点呈双曲线分布时,光场振荡加剧,场强和焦深几乎不变,纵截面光场发散后逐渐恢复至均匀分布状.研究结果可为分析轴棱锥透镜锥面加工误差对无衍射光束传播特性的影响、进一步完善无衍射光束衍射场理论,以及拓宽其工程应用范围等提供参考.     

激光光刻中焦深概念的新探讨

焦深大小将直接影响激光光刻加工的最细线宽和线条的边缘倾角从而影响被加工器件性能.传统的几何光学焦深概念对有光刻胶存在时的激光光刻已不适用.本文导出了会聚的高斯光束用于激光光刻时在光刻胶内的光场近似分布形式,由此可判断出光刻胶对光刻线条的分辨率和焦深的影响,从而提出激光光刻时焦深的新概念和估算.     

高斯光束经相位连续变化型波带片的衍射特性

 根据瑞利-索末菲标量衍射理论分析了相位连续变化型波带片对高斯光束的衍射特性。在高斯光束入射下,对相位连续变化型波带片光轴和焦平面上的太赫兹强度分布特性进行了模拟,分析了入射光束的束腰半径和束腰位置对衍射场的影响,并与平面波入射的情况进行了对比。数值结果显示,相位连续变化型波带片可以实现对高斯分布太赫兹波的聚焦。相位连续变化型波带片的衍射规律与薄透镜的聚焦规律相似。通过合理调整束腰与波带片之间的距离可以保证衍射效率在85%以上。与平面波相比,高斯光束入射下的焦点处中心场强较小,但衍射效率较高。     

螺旋型波带片聚焦特性研究

提出了一种计算螺旋型波带片聚焦特性的方法。从衍射积分理论出发对螺旋型波带片的聚集特性进行了理论计算,推导出了级数形式的解析解,获得了螺旋型波带片"空心"焦点的场强分布。利用螺旋型波带片的聚焦特性,对其成像进行了数值模拟和理论分析。理论分析表明螺旋型波带片的空间分辨率与其"空心"焦点的环宽有关。通过验证实验证明理论分析与实验测试一致,为螺旋型波带片成像理论和模拟计算提供了一种有效手段。     

波带片离焦量和非单色光对光斑的影响

考虑了波带片在离焦和非单色光照明条件下的光斑特性，通过数值计算，得到了在不同离焦量时光强分布曲线、光斑大小、以及特定范围内总能量随离焦量的变化；同时得到不同带宽的光强分布曲线、光斑半径随带的变化曲线。并研究了用于软Ｘ光扫描显微镜的聚焦波带片允许的离焦误差以及光斑半径与带宽的关系。     

虚光场对光场与玻色-爱因斯坦凝聚体相互作用系统中光场压缩性质的影响

在压缩真空态光场和二能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体相互作用系统中, 应用全量子理论, 采用非旋波近似, 研究了光场的压缩特性以及原子本征频率、原子-光场的耦合系数、光场初始压缩因子以及虚光场对系统光场压缩特性的影响. 研究表明, 光场的两个正交分量均被周期性压缩, 其压缩深度与光场初始压缩因子有关, 光场与原子的耦合系数决定了光场的量子崩塌-回复频率,虚光场效应使得光场的压缩深度增强.     

与非等同双原子相互作用下光场的量子特性

研究了具有不同偶极矩的两个原子与双模压缩真空场相互作用系统中光场的量子特性.讨论了两个原子与双模压缩真空场的相对耦合常数(R=g1/g2)和光场的初始压缩因子r对光场的压缩效应和光子的聚束与反聚束效应的影响.数值计算结果表明,光场量子涨落的震荡幅度、最大压缩深度、压缩时间及二阶相干度的震荡振幅与光场的初始压缩因子r的大小有关.两原子与双模光场的相对耦合常数R影响着光场量子涨落和二阶相干度的震荡规律,因而也影响着压缩时间、光场处于非经典态的时间及光子的反聚束程度,但对光场的压缩深度无明显影响.     

采用非线性相位拟合法设计长焦深透镜

针对惯性约束聚变(ICF)激光等离子体诊断系统应用的需求,提出一种采用非线性相位拟合法设计单透镜代替理想对数轴锥镜的方法。对所要得到的球面透镜与理想对数轴锥镜的相位进行拟合,求解得出所需要的球面透镜参量。设计了用于激光等离子体诊断系统的长焦深透镜,并对透镜的焦深、轴向光场均匀性、横向均匀性、焦斑旁瓣等指标进行分析。数值分析结果表明,长焦深透镜具有与理想对数轴锥镜相同的相位分布,焦深、轴向光场均匀性、横向均匀性、焦斑旁瓣均符合设计要求,验证了非线性相位拟合法的正确性。     

强度关联耦合下两个二能级原子与Pólya态光场相互作用系统的量子特性

利用全量子理论计算方法,探究了在强度关联耦合下两个二能级原子与单模Pólya态光场相互作用系统中原子线性熵粒子布局数反转以及信息熵压缩随时间的演化规律.分析了原子初态、光场参量p和r以及Lamb-Dicke参量η对原子线性熵、粒子布局数反转以及信息熵压缩的影响.结果表明:当原子处于不同的初态时,相互作用系统表现出完全不同的量子特性;光场参量p增大使得各个物理量振荡周期增大;光场参量r增大,使振幅发生变化,破坏粒子布局数反转崩塌-复原现象以及信息熵压缩效应.     

光学扫描全息术的推广

给出了光学扫描全息术的基本原理。记录时用实时 FZP与物体强度透射率发生卷积从而产生扫描全息图 ;再现时用与记录时相对应的 FZP与全息图信号发生卷积即可再现出物体的信息。推广了光学扫描全息术 ,提出只要某一实时的光场强度分布函数具有如下性质 :(l)该函数中含有 x,y,z参量且相对于 z参量具有圆对称性 ;(2 )对于某一确定的 z参量 ,该函数的自相关是δ函数 ,就可以把该光场作为光学扫描全息术中的照明光场对物体进行扫描记录以得到扫描全息图。     

Design and analysis of a folded Fresnel Zone Plate antenna

Based on the Kirchhoff-Huygens diffraction theory, a simple analytical method of a planar folded Fresnel zone-plate (FZP), that is the case when a planar reflector is placed behind the zone plates, has been developed. According to the numerical calculation results, the design procedure of the FZP antenna has been presented, and its focusing characteristics and gain-optimized conditions have been discussed. The variations of the focal field distribution with the antenna parameters such as zone numbers, focal length and antenna diameter and the radiation power patterns of the FZP have been simulated numerically. To take a good balance of both receiving and transmitting antennas, at 60GHz operating frequency, the focal length should be designed as a half of the antenna diameter and the zone number should be from 10 to 15. The results in this work show that the folded FZP has good focal characteristics and off-axis performance, and its antenna gain can be optimized by the suitable antenna parameter design. The possibility of applying the folded FZP as a low cost and high gain antenna without strict manufacturing requirement for millimeter-wave communications has been shown.     

菲涅耳波带板无运动卷积全息术

提出了菲涅耳波带板(FZP)无运动卷积全息术.该技术使用均匀扩展光源，使得从光源不同位置发出的光在经过FZP编码孔径之后，在物体上形成多个菲涅耳波带板投影叠加.物体的全息图是FZP投影光强分布函数与物体的光强分布函数的卷积，无需机械运动便得到物体的扫描全息图.采用数字相关解码方法实现全息图的再现.用蒙特卡罗方法模拟了菲涅耳波带板入射光束在经过散射介质以后，其出射光强分布随散射介质厚度的变化规律.结果表明:当散射介质厚度为5 cm时，出射光束依然基本保持菲涅耳波带板形式的光强分布.对嵌埋在浓度为1%的Intralipid散射溶液中直径为0.4mm的金属丝进行成像实验，分别得到当散射介质厚度为1cm、3cm和5cm时的再现像，实验验证了菲涅耳波带板无运动卷积全息术用于高散射介质中物体成像的可行性.     

菲涅耳波带板应用于聚变靶的高分辨X射线成像分析

在惯性约束核聚变研究中,为了实现1μm高空间分辨keV-X射线成像,文中发展了菲涅耳波带板(FZP)直接成像的分析方法,并通过数值计算研究了FZP的成像特性.针对钛K_α线(光子能量4.51 keV,波长0.275 nm),提出了FZP参数,对制作技术的要求较低.研究了靶尺度的影响.FZP的有效视场使它能够对数毫米大尺度靶实现高分辨成像.还研究了入射光的光谱带宽对成像的影响.FZP的色差有助于单色成像,但是带宽超过限度会导致像的反衬度降低.这些结果表明FZP应用于聚变点火靶的高空间分辨X射线成像的能力,也为应用提出了要求. 关键词： X射线成像 惯性约束核聚变 菲涅耳波带板     

用菲涅尔平板天线实现相干来波方向的估计

菲涅尔平板天线由于其具有宽频带、重量轻、馈电简单和易于共形等优点，可替代透镜天线用于毫米波成像或用作微波移信通信中的接收天线单元等。同时，其作为聚焦器件，通过与馈源阵列组合，可以构成一种新型的自适应天线应用于蜂窝移动通信的基站智能天线等领域，基于其良好的工程应用前景，本文在对有关研究工作简要回顾的基础上，深入分析其去相关机理，应用极大似然估计算法实现了相干信号源在大角度入射的情形下，菲涅尔平板天线对来波方向的有效估计，避免了应用MUSIC算法进行来波方向估计所遇到的观察区域的限制问题，仿真计算和有关文献数值分析结果的比较表明，菲涅尔平板天线具有良好的空间谱估计性能。     

菲涅耳波带板无运动卷积偏振选通成像研究

提出了菲涅耳波带板(FZP)无运动卷积偏振选通全息术,该技术的原理与菲涅耳波带板扫描全息术相同,但在成像系统结构上作了重大改进,改进内容主要有两个方面:第一,使用扩展光源,用多个菲涅耳波带板在物体上的投影叠加形成卷积运算来取代机械扫描,克服了扫描造成的系统不稳定性和限制实际应用的耗时问题;第二,用CCD取代光电倍增管,使物体上所有的点都同时成像在CCD靶面上,达到实时采集整个全息图的目的。对线偏振光和圆偏振光经过散射介质脂肪乳剂(Intralipid)溶液后偏振度的变化规律进行了实验研究,研究表明,在米氏散射区,圆偏振光比线偏振光更容易保持偏振态。应用菲涅耳波带板无运动卷积偏振选通成像系统,采用圆偏振光作为入射光,对嵌埋在浓度为1%、深度为2 cm的脂肪乳剂溶液中的金属丝(直径0.4 mm)进行了成像实验,结果表明,菲涅耳波带板无运动卷积偏振选通全息术原理是可行的。     

Depth of focus enhancement of a modified imaging quasi-fractal zone plate

We propose a new parameter w for optimization of foci distribution of conventional fractal zone plates (FZPs) with a greater depth of focus (DOF) in imaging. Numerical simulations of DOF distribution on axis directions indicate that the values of DOF can be extended by a factor of 1.5 or more by a modified quasi-FZP. In experiments, we employ a simple object–lens–image-plane arrangement to pick up images at various positions within the DOF of a conventional FZP and a quasi-FZP, respectively. Experimental results show that the parameter w improves foci distribution of FZPs in good agreement with theoretical predictions.     

Comparison of subwavelength focusing properties of diffraction and Fresnel zone plate plasmonic planar lenses

The subwavelength focusing properties of diffractive plasmonic planar lenses (DPLs) and Fresnel zone plate plasmonic planar lenses (FZPs) have been compared in this paper. To that end, we use the same lens material, incident wavelength, thickness and focal length for comparison. Both DPLs and FZPs consist of central circular slits surrounded by transparent and opaque zones and can get clear focusing performances. By using the rigorous electromagnetic numerical method, the fields in the focal region are analyzed in detail, and our results demonstrate that FZP can generate higher transmission efficiency, and higher peak field intensity at the focal plane. Focusing polarization properties of the lens illuminated by linearly polarized state, are calculated and analyzed also. The numerical results show that both the DPL and the FZP produce asymmetrical focal spot distributions with a low f-number. To the FZP, the full-width at half-maximum (FWHM) varies from 256 nm (along y-axis) to 516 nm(along x-axis) and to the DPL, the FWHM varies from 256 nm(along y-axis) to 580 nm(along x-axis), respectively. But for a high f-number, the asymmetrical performance of the focal spot will be reduced due to complicated electromagnetical field interferences and micro waveguide effect. Otherwise, the DPL can get a higher depolarization effect than the FZP does.     

Curvilinear Fresnel-Zone Plate Lens Antenna: Vector Radiation Theory

A generalized vector diffraction theory of the half-open curvilinear Fresnel zone plate (FZP) tens antenna that is valid for any lens profile shape is presented. It is an extension to the vector Kirchhoff diffraction theory for the plane half-open FZP lens antenna and is based on the conical-segment lens profile approximation. An equation for the electric far-field vector is derived from which follow the expressions for the co- and cross-polarization radiation patterns and directive gain. The proposed theory is utilized for a numerical analysis and comparison of 140-GHz curvilinear half-open FZP lens antennas grouped in two distinct sets:

Optimization‐free superoscillatory lens using phase and amplitude masks

A superoscillatory focusing lens has been experimentally demonstrated by optimizing Fresnel zone plates (FZP), with limited physical insight as to how the lens feature contributes to the focal formation. It is therefore imperative to establish a generalized viable account for both FZP (amplitude mask) and binary optics (phase mask). Arbitrary superoscillatory spots can now be customized and realized by a realistic optical device, without using optimization. It is counterintuitively found that high spatial frequency with small amplitude and destructive interference are favorable in superfocusing of a superoscillation pattern. The inevitably high sidelobe is pushed 15λ away from the central subwavelength spot, resulting in significantly enlarged field of view for viable imaging applications. This work therefore not only reveals the explicit physical role of any given metallic/dielectric rings but also provides an alternative design roadmap of superresolution imaging. The robust method is readily applicable in superthin longitudinally polarized needle light, quantum physics and information theory.