基于涡旋光束的超快速角向集束匀滑方案

针对惯性约束聚变装置对激光集束辐照均匀性的需求,提出了一种基于涡旋光束的超快速角向匀滑方案,即利用螺旋相位板使2×2集束中的两子束由超高斯光束变换为涡旋光束,而其余两子束不变,进而通过对子束偏振态和中心波长的调控,使集束中的涡旋光束和超高斯光束在靶面两两相干叠加.相干叠加后的焦斑以皮秒量级为周期超快速旋转,从而在极短时间内快速抹平焦斑强度调制,改善靶面辐照均匀性.通过建立基于螺旋相位板的激光超快速角向集束匀滑方案的物理模型,分析了其角向匀滑特性,并与光谱角色散技术和径向匀滑技术进行了比较分析.结果表明,这一新型激光集束匀滑方案能实现对焦斑的超快速角向匀滑,且能在数皮秒时间内达到最佳辐照均匀性.     

基于低相干光的阵列透镜束匀滑技术研究

基于激光加载的材料状态方程的实验研究对靶面光强分布的均匀性及稳定性提出了极高的要求,靶面光强的上述两大特性在很大程度上决定了实验结果的精度和可重复性.本文针对传统窄带高相干激光装置在激光加载材料状态方程实验中表现出的靶面光强均匀性和光强分布稳定性两方面可能存在的问题,提出了基于宽带低相干激光,利用消衍射阵列透镜联合诱导非相干技术的束匀滑方案,并重点分析了波前相位畸变对靶面不均匀性及稳定性的影响.模拟结果表明,该方法明显降低了靶面不均匀性,提高了对波前相位畸变的包容度,获得了均匀、稳定的光强分布.统计分析显示,焦斑强度分布极差和不均匀性与波前相位畸变均方根梯度相关性较强.因此,可以根据统计结果以及实验对焦斑强度分布的要求,给出波前相位畸变的容差范围,对状态方程实验中激光驱动器参数的设计与优化具有指导意义.     

High-quality generation of a multispot pattern using a spatial light modulator with adaptive feedback

We propose and demonstrate high-quality generation of a uniform multispot pattern (MSP) by using a spatial light modulator with adaptive feedback. The method iteratively updates a computer generated hologram (CGH) using correction coefficients to improve the intensity distribution of the generated MSP in the optical system. Thanks to a simple method of determining the correction coefficients, the computational cost for optimizing the CGH is low, while maintaining high uniformity of the generated MSP. We demonstrate the generation of a 28×28 square-aligned MSP with high uniformity. Additionally, the proposed method could generate an MSP with a gradually varying intensity profile, as well as a uniform MSP consisting of more than 1000 spots arranged in an arbitrary pattern.     

采用透镜列阵与光谱色散改善三倍频小焦斑辐照均匀性

通过数值模拟研究了高功率激光驱动器的光束均匀辐照情况, 分析了三倍频激光辐照下小焦斑的光强分布及空间功率谱. 采用透镜列阵可降低光束近场畸变的影响并控制靶面焦斑的包络形状; 采用二维光谱色散匀滑技术可明显地消除焦斑内部大反衬度的强度调制, 且该方法在焦斑非常小的情况下也仍然有效. 大量的数值模拟结果表明, 光谱色散匀滑技术应用于尺寸不同的焦斑时, 其效果是有差异的. 对大焦斑而言, 光谱色散匀滑主要抹平其内部细密的条纹, 即消除中高空间频率范围的强度调制; 对小焦斑而言, 光谱色散匀滑主要消除中低空间频率范围的强度调制, 故将影响焦斑的整体包络形状. 本文所得的数值结果对间接驱动实验中激光束匀滑方案的选择和优化具有参考价值.     

Array illumination with minimal non-uniformity based on generalized phase contrast

The generalized phase contrast method (GPC) has been previously shown to be an efficient technique for generating array illumination and is thus highly suitable for such applications as dynamic multiple beam trapping and optical micromanipulation. However, projected arrays usually exhibit intensity roll-offs that may be undesirable for some applications. We show that the uniformity of GPC-generated array illuminations can be improved using intuitive corrections to the input spatial phase modulation, by increasing or decreasing it to respectively raise or lower the intensity of the corresponding output spots to improve uniformity. This is combined with matching corrections to the phase shift introduced by the phase contrast filter. Results from numerical experiments show that the array illumination uniformity error improves from over 40% to less than 1% while maintaining the efficiency prior to implementing corrections.     

利用部分相干光和同心角偏差透镜列阵实现二维靶面均匀辐照

提出利用部分相干光通过透镜列阵系统实现靶而的均匀辐照, 透镜列阵能获得边缘陡峭且顶部较平坦的准近场焦斑, 透镜列阵的适当同心度偏差又使各子束的斑纹相互稍微错开, 使干涉斑纹变密, 而入射的激光是空间相干性减少了的部分相干光, 可进一步抑制了透镜列阵系统焦斑的小尺度不均匀性. 使用广义衍射积分理论, 对高斯-谢尔光束通过透镜列阵光学系统的焦斑光强分布进行了详细的二维模拟研究, 比较了完全相干光与部分相干光经过透镜列阵的匀滑效果. 数值模拟表明, 应用同心度偏差和适当离焦时, 可实现焦斑均匀性和能量利用率同时达到最佳的效果.     

近红外激光照明器均匀性评价技术研究

近红外激光照明是在低照度情况下,用近红外激光作为光源对远距离目标进行主动照明.由于激光的产生机制、匀光装置和照明器采用的光学系统公差、大气湍流等因素,近红外激光光束在目标面上的光强空间分布不均匀,对成像、观测准确度产生较大影响.本文提出采用近红外激光光强功率谱衡量照明近红外激光光强分布均匀性,即采用归一化后光强功率谱所围成的面积作为衡量近红外激光照明均匀性的参量.利用这种方法,对不同的近红外激光照明器,在相同的工作状态下的照明均匀性评估参量进行了研究,结果验证了采用归一化后光强功率谱所围成的面积作为评价参量的合理性.     

实现散射场强整形的微散射体阵列逆向设计方法

本文提出一种基于全介电微散射体的散射阵列结构逆向设计方法,用以实现散射电场强度整形.该方法基于空域傅里叶变换与角谱变换,从给定目标区域处期望实现的散射场强分布出发,逆向求得所需的感应源,再利用电磁感应源理论,逆向设计微散射体阵列,且只需通过解析计算便能够快速地求取出微散射体阵列的电磁参数值分布.基于提出的逆向设计方法,文中提供了三维情况下的具体算例,实现了给定方形面目标区域的散射场强整形.理论计算结果与全波仿真结果符合良好,表明本文提出的逆向设计方法具有可行性与有效性.     

用于直接驱动的快速变焦新方案

在直接驱动方式的惯性约束聚变装置中, 实现中心点火对靶丸的辐照均匀性要求极高. 然而, 在激光脉冲持续时间内, 由于激光与靶丸的相互作用致使靶丸逐渐缩小, 从而导致辐照均匀性降低以及交叉光束能量转移等不利因素增强, 进而影响点火的进展. 为此, 提出了用于直接驱动的快速变焦新方案, 即利用特殊设计的电光晶体及电极结构, 对激光束附加一个实时、快速变化的球面波前, 以控制打靶激光束的聚焦位置和焦斑大小, 从而达到提高靶面辐照均匀性和抑制交叉光束能量转移的目的. 通过建立快速变焦的理论模型, 并基于激光与靶丸相互作用物理过程的分析, 对焦斑尺寸、附加球面波曲率半径等参数随时间的变化规律进行了数值模拟和分析. 结果表明, 本文提出的快速变焦方案可有效地实现对焦斑与靶丸半径比的实时控制, 且对空间滤波器滤波效果及三倍频转换效率并无明显影响.     

光幕性能测试系统数学建模和软件设计

光幕性能测试系统主要是为研究更大规模的光幕靶和密集度靶提供必要的数据准备和理论基础的。研制出了用于探测光幕靶、密集度靶等光幕面内光能分布情况(光强度、一致性、均匀性)的测试仪器。光幕光能量数学模型的建立和光幕性能测试软件是非常重要的。为了了解其功能对光幕发光的情况,利用Visual C++6.0开发工具设计了一个光幕性能测试系统软件,实现了光能分布情况的采集和处理。文章从数学建模及软件设计两部分着重介绍了该系统的设计过程。测试结果表明,基本符合理论分析的光场能量计算公式,为光幕性能测试系统提供了可靠的数据和软件支持,提高了光幕性能测试系统的质量。     

Ultrathin Planar Microlens Arrays Based on Geometric Metasurface

Ascribing to the properties of two dimensional parallel focusing and imaging, low propagation loss, integration and miniaturization, microlens array has been widely used in imaging, optical communication, organic light emitting devices, adaptive optics, photolithography, biomedical and other applications. However, the existing traditional microlens array suffers from difficulty in fabrication, large‐thickness, curved surface, non‐uniformity of light spots, or requirement of additional discrete components to control the microlens. Herein, a planar microlens array is experimentally demonstrated based on the geometric metasurface. The single microlens is composed of space‐variant subwavelength metallic gratings with high polarization conversion efficiency and thus exhibits gradient phase distribution. The focused spot diameter of 22.5 μm with radius of 350 μm, focal length of 1 cm and the light spots intensity uniformity of 0.9885 (standard deviation 0.0115) at the focal plane are obtained. Moreover, the broadband property of microlens array is also confirmed. The novel design strategy for microlens array would facilitate the miniaturization of optical devices and be easily integrated in the optical interconnected devices.     

Three-dimensional weight-accumulation algorithm for generating multiple excitation spots in fast optical stimulation

We report here an algorithm for calculating a hologram to be employed in a high-access speed microscope for observing sensory-driven synaptic activity across all inputs to single living neurons in an intact cerebral cortex. The system is based on holographic multi-beam generation using a two-dimensional phase-only spatial light modulator to excite multiple locations in three dimensions with a single hologram. The hologram was calculated with a three-dimensional weighted iterative Fourier transform method using the Ewald sphere restriction to increase the calculation speed. Our algorithm achieved good uniformity of three dimensionally generated excitation spots; the standard deviation of the spot intensities was reduced by a factor of two compared with a conventional algorithm.     

激光间接驱动聚变柱形腔靶内壁光斑参数计算

 用几何光学计算了柱形腔壁上的激光光斑参数, 包括光斑的位置、形状、大小以及光斑内的光强分布, 同时还计算了在激光注入孔的光斑参数, 这对分析靶丸的初始辐射均匀性、确定腔壁上的辐照强度大小和判断能否将激光有效地注入腔内都是非常重要的。     

Minimizing the effects of unmodulated light and uneven intensity profile on the holographic images reconstructed by pixelated spatial light modulators

A simple and effective approach is proposed to minimize the effect of unmodulated light and uneven intensity caused by the pixelated structure of the spatial light modulator in a holographic display. A more uniform image is produced by purposely shifting the holographic images of multiple reconstructed lights with different incident angles from the zero-diffraction-order and overlapping those selected different orders. The simulation and optical experimental results show that the influence of the zero-diffraction-order can be reduced, while keeping the good uniformity of the target images by this new approach.     

Illumination uniformity assessment based on human vision

Assessing how uniform the light distribution is throughout an illuminated target is important in many applications, but traditional methods do not quantify the variability of illuminance as the human visual system (HVS) does. Considering that most light patterns are intended for humans, I propose a simple metric that assesses the uniformity in a similar way as humans do. This uniformity indicator is based on the fact that the HVS is highly sensitive to spatial frequencies and then uses the Fourier transform and the contrast sensitivity function of the HVS in a practical way.     

基于俯视SEM图像的矩形光栅占宽比检测方法

提出了一种利用俯视SEM图像检测矩形光栅占宽比的新方法。对目标检测图像进行灰度轮廓预处理,接着进行基于动态规划和最小二乘样条逼近的边缘检测,最后按照设定的量化评价标准,计算出目标区域内的光栅占宽比的平均值和标准偏差。使用该方法不仅可以快速准确地计算出目标区域内的光栅占宽比和量化评价占宽比空间分布均匀性,也避免了具有破坏性的制样过程,弥补了传统断面测量方法的不足。编写了用于矩形光栅占宽比检测的图像处理软件GradUI。使用此软件对一组1 200 线/mm矩形光栅的俯视SEM图像进行检测分析,发现平均占宽比与灰度轮廓估算值的均方根偏差为0.017 3。结果表明,基于俯视SEM图像的矩形光栅占宽比检测方法是有效可行的,同时,也验证了软件的可靠性。     

白光LED光斑均匀性的改进

用于照明领域的白光LED,其出射光斑的色度均匀性对于产品性能有着更加重要的意义.介绍了目前工业上制作白光LED主要采用的荧光粉灌封点胶工艺.并在目前主流灌封点胶工艺的基础上通过改善荧光粉层结构形状,以提高白光LED器件的出射光斑均匀性.并通过九点法对不同工艺结构下LED出射光斑的空间色度分布进行了测量和分析.通过分析,虽然采用不同的粉层结构,能够一定程度上改善白光光斑的色度均匀性.但总体上,采用这种传统的点胶工艺制作的器件的白光光斑性能不好,现有的荧光粉层灌封点胶工艺存在很大的弊端.荧光粉层的可控性是影响色度均匀性(即光斑均匀性)的主要因素,包括单个器件内的光斑和器件之间的颜色一致性都不理想.     

光栅式成像光谱仪空间均匀性测试研究

空间均匀性是成像光谱仪辐射定标的核心参数之一。通过对国内外均匀性测试方法研究，提出采用空间分布法对光栅式成像光谱仪的空间均匀性进行测试研究。该方法能准确给出各个位置点信号响应的详细分布，对于提高并改善光栅式成像光谱仪的图谱质量具有重要的意义。空间分布法建立在高稳定性、高均匀性标准光源的基础上，由计算机软件对测试结果进行图谱分离，提取同波长下空间响应信号获得光栅式成像光谱仪的空间均匀性。最后分析了空间均匀性测量不确定度的影响因素，并分析了空间均匀性对绝对辐射定标和光谱精度的影响。     

LED照明系统的光照均匀性设计

随着大功率LED发射光强的不断提高,采用单粒LED为光源的照明系统已能满足许多场合的照明需求。根据非成像反射器的设计方法,研究了一种以单粒LED为光源的照明系统光照均匀性问题,提出了一种能实现目标平面特定区域内的照度值为常数的光反射器面形设计方法。该方法根据目标平面上的照度分布函数建立微分方程,通过求解微分方程得到反射器面形轮廓的函数,根据该函数建立照明系统的模型,用ASAP对该模型进行光线追迹,得到系统的光照均匀性,并进而确定适合数控加工的反射器面形数据。     

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。