体布拉格光栅滤波片及其光谱成像应用

利用厚体布拉格光栅的波长选择特性对目标光场进行窄带滤波,是实现高光谱成像的一种新途径。基于严格耦合波理论,设计了体布拉格光栅结构,探索了厚体布拉格光栅的制作工艺,搭建系统光路验证了体布拉格光栅的光谱成像能力。研究结果表明:要获得较窄滤波谱宽,需要提高体布拉格光栅的厚度周期比,并严格控制入射光束发散角;刻写光束质量、震动和偏振会极大地影响制作的光栅条纹面质量,需要从优化写入光的光束均匀性、采用防震措施以及调整两刻写光束偏振一致性等方面优化刻写过程,以提高光栅的衍射效率和质量;验证了体布拉格光栅滤波片进行空间二维面阵成像的能力,宽谱光源透射条件下,通过对入射光束进行准直,滤波谱宽5 nm左右,空间分辨率约4 lines/mm;漫反射条件下,使用体布拉格光栅对进行色散补偿,能够实现较为清晰的成像,空间分辨率约4.9 lines/mm。     

闪耀型亚波长光栅透镜的柱矢量光聚焦优化和调控

柱矢量光束的紧聚焦在光学微操纵、光学存储、激光微加工、超分辨率成像和粒子加速等领域发挥着重要作用。亚波长光栅平凹透镜对柱矢量光束的紧聚焦的能力仍有提升空间,本文利用闪耀结构将光的能量从零级转移并集中到-1级,对亚波长光栅平凹透镜的聚焦性能进行优化。提高了透镜的衍射效率,增强了焦场的能量。通过调整高斯径向偏振光的形状参数,改变入射光振幅及入射区域半径实现对焦场能量的动态调控。进一步地,调控柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地横向调制焦场,获得多样化形貌的焦斑。本文的优化手段对于其他光栅透镜也具有参考意义,该研究结果在超分辨率成像以及光场调控等领域具有潜在的应用价值。     

空心阴极元素灯光谱的空间分布测量方法

提出利用成像光谱仪研究空心阴极元素灯光谱空间分布的检测方法。自制了基于Offner成像系统的推扫式凸面光栅成像光谱仪,覆盖波长范围400~1 000 nm,视场角22°,光谱分辨率2~3 nm;利用该光谱仪第一次得到得到Hg元素灯光谱的空间分布,给出了不同波长下的空间图像和不同空间位置的光谱分布信息,具有较高的空间分辨率和光谱分辨率;并同时获取了不同工作电流条件下的元素灯高光谱数据,对比分析了处于不同工作状态下光谱空间分布的差异。这为空心阴极元素灯光谱的空间分布等性能研究提供了一个很好的工具,相关方法也可以用来研究其他类型的光源。     

远场超分辨随机光重建显微镜(STORM)研究进展

了解细胞内分子尺度的动态和结构的特征是生命科学迫切需要解决的问题,要求远场光学成像要求纳米或亚纳米量级的空间分辨率.介绍了一种实现打破衍射极限的远场荧光显微成像技术--随机光重建显微术(STORM),其分辨率可以达到横向分辨率20 nm,轴向分辨率50 nm,理论上这种方法的空间分辨率可以达到单分子定位的精度.具体介绍...     

基于声光可调谐滤光器的显微光谱成像技术

为了解决传统声光可调谐滤光器(AOTF)成像模糊的缺点,设计了一种新的AOTF。该器件通过在传统的AOTF的出射孔后面放置一个自行设计的等边色散棱镜来实现对衍射光的色散展宽进行补偿,明显地提高了成像的对比度和空间分辨率。将此器件附加在传统光学显微镜上,获得了一种新型的光谱显微成像仪器。其光谱分辨率在575nm波长处为4.2nm、成像空间分辨率为2μm、图像采集速度为毫秒量级。为基于AOTF的光谱成像技术在生物医学等领域的更广泛的应用奠定了基础。     

亚波长光栅偏振片的纳秒脉冲激光损伤特性

偏振片在诸多光学系统中有着重要的应用。亚波长介质光栅可用作正入射偏振片，在高能激光系统中有着广泛的应用前景。为了探究波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光对于亚波长全介质光栅的诱导损伤特性，使用了粒子群优化算法结合严格耦合波分析设计了光栅的几何参数，计算表明亚波长光栅偏振片在入射光波长1 064 nm附近带宽0.5 nm内，平均消光比为1 500。使用了紫外曝光配合离子束刻蚀的工艺制备了HfO₂光栅，并对其纳秒脉冲激光损伤阈值进行了测试。测试结果表明S光损伤阈值约为P光损伤阈值的5倍，且都大于5 J/cm2。结果表明亚波长全介质光栅偏振片可广泛用于正入射激光系统中。     

200—1100nm瞬态光谱测定仪的研究

介绍一种光栅的闪光光谱测量仪器。该仪器具有波长覆盖面宽，波长分辨率高的特点，波长分辨率小于0．1nm，不确定度小于2％，对瞬态光和连续光都可进行测量，仪器测试过程实现了全部自动化。适用于不同光谱区都要有高分辨率的光谱测试。     

亚波长金属偏振分束光栅设计分析

结合有效介质理论和薄膜光学的抗反射设计方法,设计了基于0.65μm工作波长的亚波长金属偏振分束光栅,给出了光栅的优化设计参数,采用严格耦合波理论分析了光栅的偏振分束特性.结果表明,亚波长金属光栅对TE偏振表现为金属膜特性,具有高反射,对TM偏振表现为介质膜特性,具有高透射,在-30°<θ<30°的大入射角范围和0.47μm<λ<0.80μm的宽入射波谱内,该光栅的透射光和反射光均具有高偏振消光比和低插入损耗的特点. 关键词： 亚波长金属偏振分束光栅 有效介质理论 薄膜光学 严格耦合波理论     

间隔叠合式双层亚波长光栅

提出了一种应用价值较高的防伪光栅结构-间隔叠合式双层亚波长光栅,可以展宽基本光栅的光谱峰值带宽、改善光谱线形和光变效果.分析了亚波长光栅光谱峰值带宽展宽和线形改善的原理,用矢量衍射理论验证了理论分析的合理性,并对特定防伪光变设计要求的双层光栅进行了参量优化和光变特性分析.结果表明,满足同相位条件的光谱线形与基本光栅相同,带宽为基本光栅的两倍;满足反相位条件的光谱线形为准矩形,带宽大于基本光栅;亚波长光栅在传统和非传统照明条件下倾斜均能产生彩色光变效果,且传统照明情况下的光变速率较大,利用这种光变速率差可以制作各向异性光变效果.     

一种提高频谱编码成像技术信噪比的方法

频谱编码成像技术是一种采用衍射光栅把不同波长照明到样品的不同位置处的新型反射式显微成像技术。搭建了一个基于50 k Hz扫频光源的频谱编码显微系统,为解决无后置放大器情况下探测微弱样品光的问题,采用平衡探测的方法进行了成像测试。通过对USAF-1951分辨率板成像测得横向分辨率由13.93μm提高到5.52μm,采用平衡探测的方法使得洋葱样品图像信噪比(SNR)由15.07 d B提高到22.6 d B。研究结果表明,采用平衡探测的方法能够提高图像分辨率和信噪比。对离体猪胃小凹样品进行成像,验证了频谱编码成像技术在生物消化道内成像的可行性,为下一步该方法实现临床应用奠定了理论基础。     

一种提高频谱编码成像技术信噪比的方法EI北大核心CSCD

频谱编码成像技术是一种采用衍射光栅把不同波长照明到样品的不同位置处的新型反射式显微成像技术。搭建了一个基于50 k Hz扫频光源的频谱编码显微系统,为解决无后置放大器情况下探测微弱样品光的问题,采用平衡探测的方法进行了成像测试。通过对USAF-1951分辨率板成像测得横向分辨率由13.93μm提高到5.52μm,采用平衡探测的方法使得洋葱样品图像信噪比(SNR)由15.07 d B提高到22.6 d B。研究结果表明,采用平衡探测的方法能够提高图像分辨率和信噪比。对离体猪胃小凹样品进行成像,验证了频谱编码成像技术在生物消化道内成像的可行性,为下一步该方法实现临床应用奠定了理论基础。     

超表面上表面等离激元波的光栅衍射行为研究

本文利用严格数值仿真研究了550~700 nm波段的可见光通过金属光栅耦合方式激发的表面等离激元(SPP)波在金属表面的光栅衍射行为与现象。研究结果表明:SPP波在金属表面的衍射行为与自由空间光相比有极大不同,由于SPP波的近场属性,经金属光栅衍射后在近场可表现出明显的光栅分光现象,但经过一段传输距离后则分光现象消失而表现为不同级次的光合为同一束光;在近场衍射情况下,其情况与自由空间光衍射行为类似,对SPP亚波长金属光栅来说同样只有零级透射光;而当金属光栅周期大于SPP波长时,高级衍射级次则开始出现。研究结果对下一步在金属表面上实现微米级片光谱仪器具有重要借鉴意义。     

利用调谐滤波技术的光纤光栅复用传感器

采用光纤光栅悬臂梁线性调谐技术 ,提出了利用调谐滤波技术对光纤光栅复用传感信号进行检测的方案 ,在分析其基本工作原理的基础上 ,实验研究了其波分复用传感特性 ,传感测量的结果与光谱分析仪直接测量的结果基本一致。传感器的波长分辨率主要取决于系统的最小可探测光功率 ,由于采用了高灵敏度的光电测量系统 ,传感测量的波长分辨率可达 0 .0 0 5nm ,应变分辨率可达 5.7× 10 - 6 。     

一维金属-介质周期结构的自准直特性和亚波长成像

计算了一维金属-介质周期结构(1DMD)的色散曲线，利用传输矩阵法模拟了该结构对入射高斯光束的自准直作用，着重讨论了金属层吸收的影响；对该结构在半波长厚度时近场成像特性进行了分析，单光源的成像分辨率为λ/8，达到亚波长分辨效果；分辨率随着光源逐渐远离近场范围而降低. 双狭缝的成像模拟进一步验证了1DMD结构的近场亚波长成像能力，分辨率达到λ/3.     

双狭缝透射光栅软X光时空分辨谱仪

 利用双狭缝、透射光栅配亚仟X光条纹相机做了具有一维空间、时间和能谱分辨的三维软X光测量仪器(双狭缝透射光栅软X光时空分辨谱仪), 并成功地获得了金盘靶的N带X光(中心波长1.7nm)时空分辨图象 。该仪器空间分辨可达23μm, 时间分辨可达003ns, 能谱分辨(当源大小为100～300μm时对波长1.7nm的X光)可达0.4～ 0.7nm, 只需稍加改动, 即可用于其它波段的X光测量。     

宽谱段成像光栅光谱仪消偏器的设计

随着宽谱段高分辨率光谱仪在海洋空间遥感领域的广泛应用,其前置消偏器的设计要求越来越高。为满足成像光谱仪的要求,利用矩阵光学的原理,对应用最为广泛的Lyot消偏器,从残余偏振度的公式出发,对其与晶体楔角和厚度的关系进行数值分析,结合残余偏振度和光学系统分辨率的要求提出了用于宽谱段光谱仪消偏器参数的设计方法。运用该设计方法对400~950nm宽谱段成像光栅光谱仪消偏器进行设计,在全波段范围内,光谱分辨率为4nm时,对任意偏振态的线偏光,消偏器的出射光的残余偏振度均小于2%。     

基于内拼接法的宽视场成像光谱仪研制

为了增大成像光谱仪的视场,提高遥感成像的作业效率,开展了内拼接宽视场成像光谱仪的设计和研制。针对推扫成像方式,分析了基于内拼接法的宽视场成像光谱仪的组成。利用两台Offner凸面光栅分光系统进行拼接,研制了原理样机。在实验室中对原理样机的像元对准误差、光谱分辨率和调制传递函数进行测试并进行了室外成像实验。测试结果表明原理样机光谱维像元对准误差约为0.15个像元（波长为479 nm）,交轨方向和顺轨方向空间维像元对准误差分别为0.16个像元和0.19个像元。原理样机的光谱分辨率约为1.6 nm,Nyquist频率处的调制传递函数值约为0.2。通过原理样 机的研制和实验验证了内拼接法增加成像光谱仪视场的有效性。     

Si/SiO2高对比光栅参数对反射率的影响

为解决850 nm波长VCSEL表面的GaAs/空气材料的高对比亚波长光栅( HCGs)稳定性差的问题,设计了基于Si/SiO2材料的高对比亚波长光栅。研究了850 nm波长高稳定、高反射率(>99.5%)的高对比亚波长矩形光栅参数的变化对反射率的影响。利用有限元分析软件计算了Si/SiO2高对比亚波长光栅的高度、填充因子、周期、刻蚀深度及光栅倾角等各个参数的变化对850 nm的反射率影响。计算结果表明：当波长为850 nm的TE光从SiO2正入射到矩形HCGs且只有在光栅的倾角大于88°的小范围内变化时,HCGs的反射率才大于0.995,而光栅的其他参数对HCGs反射率的影响可以忽略不计。     

空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪的光学系统

空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪主要用于观测高层大气中的远紫外辐射和实现对其内部中尺度现象成像的功能。目前我国该类的相关仪器研究基础还比较薄弱,针对这种情况,在光学系统设计的角度上给出了一种适用于130～180nm波段探测的光学系统方案。该成像光谱仪光学系统以离轴抛物镜为物镜,串联Wadsworth结构为成像光谱系统;这种串联Wadsworth成像光谱系统采用离轴抛物镜做准直镜,分光器件为平面光栅和球面光栅串联,实现二次色散,同时球面光栅起到聚焦成像作用;在像差理论的基础上,对该结构的光程函数和各像差进行了分析,获得了改进结构的宽波段完善成像条件。针对低轨空间探测应用要求设计了相关改进型Wadsworth结构成像光谱仪光学系统,设计结果证明系统像差得到了充分校正,在奈奎斯特频率(20lp/mm)下全视场全波段调制传递函数值在0.6以上。该优化结构同时具备高空间分辨率和高光谱分辨率,性能优越。     

双层交叉叠合式共振亚波长光栅

提出了一种防伪光栅结构-双层交叉叠合式共振亚波长光栅,其特点是可以展宽共振亚波长光栅的共振波长宽度,使得当将其应用于防伪时能得到更佳的光变效果。分析了半峰全宽展宽的原理,指出共振宽度值的大小依赖于耦合到光栅波导层内一级衍射光的能量。优化设计了此种光栅的结构参量。用矢量衍射理论对该结构的共振特性和制作工艺误差进行了研究。研究表明：这种防伪光栅的共振光谱峰值并不随着入射角的改变而降低,共振半峰全宽最大值约为同等条件下基本共振光栅结构的7倍,该结构的共振性能对光栅制作误差不是很敏感,是一种应用价值较高的防伪光栅结构。