平像场无遮掩大视场两镜系统光学设计

从像差理论出发,提出一种平像场无遮掩两反射镜系统的设计方法,能够同时消除球差、慧差、像散和场曲四种初级像差.描述了该方法的设计过程和步骤,并总结了这种系统的结构特点. 利用该方法设计出了视场角分别为6°×6°和20°×1°两个光学系统,其成像质量均达到了衍射限.该系统结构简单,易于装调,在航天遥感领域有很大的应用前景.     

轻型车载大口径光电跟测系统光学设计

设计了一套能实现机动式布站的大口径车载可见光、红外、激光光电跟踪测量光学系统。其主光学系统采用共口径光谱分光方式工作,系统有效口径1.2m,各成像通道成像质量均达到衍射极限;捕获电视系统采用连续变焦距光学系统,视场范围0.31°～4.57°;激光测距通道设计作用距离达20km。光学设计结果表明,此套光学系统能够用于空中和空间目标的运动轨迹、成像测量和实况景象记录。     

同时实现多角度非垂轴面均匀照明的衍射光学器件

本文利用长焦深器件设计思路,提出了通过设计衍射光学器件相位分布使得在三个垂轴面上满足均匀照明要求来间接实现非垂轴面均匀照明的设计方法,并完成了同时实现多种角度非垂轴面均匀照明的衍射光学器件设计.基于爬山法和模拟退火法相结合的混合算法,设计了器件的相位分布,在30°、45°、55°非垂轴面上光斑不均匀性分别为5.91%、4.00%、3.38%.该方法可推广至二维情形,实现任意曲面均匀照明的要求.     

大视场航天遥感器的光学系统设计

设计了一个主镜为凸面的三镜无遮掩全反射光学系统。采用共轴系统设计、离轴视场使用的成像方式,避开了中心遮光,实现了大视场。其视场角为30°×2°,焦距为600mm,相对孔径为1/5 6。各个面都是二次曲面,成像质量接近衍射限。结果表明,用这种方法设计的系统在航天遥感领域具有很好的应用前景。     

光致聚合物全混洗光互连全息元件的制备

采用只对红光敏感的光致聚合物全息干版通过 Ｈｅ－Ｎｅ ６３２ｎｍ激光波长两次掩膜曝光,在面积为３０ｍｍ × ６０ｍｍ的全息干版上制备出全息光学元件,并成功地用于全混洗光学互连的实验演示。全息光学元件的衍射效率为 ４０～ ５２％。     

高能激光束在线测量系统的光强衰减设计

 针对环形光刀取样式高能激光束在线测量系统应用中光电探测器线性饱和功率密度低而被测高能激光功率密度高的特点,采用对取样激光扩束和介质膜衰减片级联衰减的方式,实现了数千倍的线性光强衰减。介绍了环形光刀扫描取样及其扩束衰减原理,并对介质膜衰减片在激光入射角 0°~15° 和功率密度1~1 000 W/cm²条件下的透过率特性进行了分析,用实验验证了该光强衰减设计的有效性。     

光源的偏振态对动态光散射颗粒测量结果的影响

研究了在动态光散射纳米颗粒测量中,光源的偏振态对测量结果的影响。采用了粒径为100nm、体积浓度为0.5%的标准颗粒作为样品,使He-Ne激光通过起偏器得到0°～180°方向的偏振光,测量了散射光强、偏振度和粒径测量值的变化,计算了相应的粒径均值偏差和标准差,并将这一结果与无偏振He-Ne激光入射进行了比较。结果表明,当入射光为线偏振光时,偏振方向垂直于散射面时测量效果最好;另一方面,由于颗粒系散射迭加造成的散射光偏振度降低,使线偏振光源与无偏振光源产生的散射光偏振度无明显差别,证明在测量中可以使用无偏振He-Ne激光代替。     

基于PSD的风洞模型姿态角光学测量技术研究

开发了一种基于光电探测技术的风洞模型姿态角光学测量技术,实现了对姿态角的精确、实时、非接触测量。对激光探测头、模拟试验平台进行了优化设计,编写了功能齐全的实验软件,模拟了风洞试验运行实况,深入开展了一维和二维角度测量实验和分辨率测试实验。实验结果表明,该技术可对模型变化角度进行实时精确测量,测量范围达到了-10°～10°,测量精密度为0.0023°,测量准确度为0.0026°,分辨率可达到0.001°。该光学测量技术在风洞模型的角度测量和振动测量实验中切实可行,为测量风洞试验模型的姿态及振动提供了一种简洁有效的测量方法。     

大视场三反射面非共轴光学系统研究

本文研究了一种各面都是二次曲面的三反射面非共轴光学系统,并给出视场角为16°×2°,焦距为1500mm的设计结果.     

基于莫尔信号的精密位移测量与控制的研究

应用光衍射理论分析了一种纳米级位移分辨率的双级衍射光栅测量系统,建立了衍射莫尔信号与对应位移的数学模型,并通过计算机仿真对莫尔信号的位移特性进行了研究。在此基础上构建了一套精密位移测量与控制装置,取差动零次激光莫尔信号为控制信号,由微机控制实现高精度位移检测及全自动精密定位。实验结果表明,基于激光莫尔信号的精密检测与控制装置可获得得5nm的位移分辨率及±0.4μm的定位精度。     

Photon sieve for reduction of the far-field diffraction spot size in the laser free-space communication system

In the free-space laser communication, there is sometimes a strong need for reduction of the diffraction spot size in the far field. In this paper, instead of the usage of the larger size aperture lens and super-resolution technology in the free-space laser communication system, we introduce photon sieve to compress the center spot in the diffractive far field, which can decrease the weight of the emitting lens. We have designed the photon sieve and calculated its far-field diffractive intensity. We have also calculated the far field Airy diffractive field intensity. Simulation proves that the photon sieve diffractive spot is smaller than the Airy spot with the same transmit aperture. We have set up an experimental system to simulate the far-field diffraction free-space laser communication. Experimental results are in good agreement with the theoretical results. Detailed experiments are presented.     

Fabrication of grating structures by simultaneous multi-spot fs laser writing

Two-photon polymerisation is an established technique for the fabrication of three-dimensional microstructures. To date structures have mostly been developed using single beam serial writing. A novel approach to simultaneous multi-spot two-photon polymerisation, that uses a SiO₂ on glass Fraunhofer diffractive optical element to generate an array of beamlets, is described. A Ti:sapphire laser, with wavelength 790 nm, 80 MHz repetition rate, 100 fs pulse duration and an average power of 25 mW, was used to initiate two-photon polymerisation. The DOE, in combination with a high power microscope objective, efficiently transforms the laser beam into a linear array of four spots of equal intensity. The fabrication of a periodic transmission grating, using parallel processing with these four spots, is shown. The grating was written in a Zr-loaded resin prepared on a glass substrate using dip coating deposition of a Zr/PMMA hybrid prepared by the sol-gel method. The operation of the diffractive element and the performance of the diffraction grating are also discussed.     

Design and fabrication of Fourier plane diffractive optical elements for high-power fibre-coupling applications

In industrial processes using fibre beam delivery of high peak power laser light, diffractive optical elements are a very useful and flexible tool in maximising the amount of light reaching the work surface. This is due to the ability of diffractive optical elements to accurately couple light into multiple fibres, while conditioning the light in order to maximise the throughput for each fibre. We discuss the design techniques for diffractive optical elements and the application of these techniques to fibre-coupling problems. The flexibility of diffractive optical elements is demonstrated by their application to several fibre-coupling geometries, including a fibre bundle, a linear array of fibres, and a rotationally symmetric fibre connector. The diffraction efficiencies for the elements approach 90% with uniformity errors of less than 5%.     

利用严格模式理论分析光栅透镜的衍射特性

光栅透镜因其独特的光学性能而具有广泛的应用.根据光栅透镜的线宽和间距微小渐变的特点,建立了光栅透镜的物理模型,并利用严格模式理论对其衍射特性进行分析.该方法物理概念清晰、公式简洁.对光栅透镜实现谐波分离、聚焦功能时的衍射效率与槽深关系的计算结果表明,其计算速度快、数值计算结果准确可靠.并对加工误差的影响进行了模拟计算,说明了在当前的微细加工的工艺水平条件下,能够制作出满足ICF系统要求的光栅透镜.实验上制作了尺寸为100 mm的大面积光栅透镜,其衍射效率的实验测试结果与理论计算结果一致.     

角锥棱镜的远场衍射特性

角锥棱镜具有空间反射特性，广泛用作激光测距的合作目标，不同的使用情况有不同的精度要求，对用于远距离测距的角锥棱镜其远场衍射特性将直接影响测距效果。通过对角锥棱镜角度误差和面形误差的分析，建立了具有角度误差和面形误差的角锥棱镜的出射波面的波差分布，并按照光波的衍射原理计算具有误差的角锥棱镜的远场衍射图。通过衍射图可以看出出射光束的发散程度随着角度误差的增加而增加，直至完全分离成六束光束。同时，面形误差的增加将导致衍射图的急剧恶化，使出射光束的质量明显降低。角锥棱镜的衍射特性对角锥棱镜的设计和评价具有指导意义。     

离焦激光直写的线宽稳定方法

为了提高激光直写加工衍射光学元件时的线条质量,提出一种离焦激光直写的线宽稳定方法.该方法通过同时调节激光功率和离焦量,使光刻胶的曝光阈值处于线宽对曝光量的变化率较小位置,从而可以弱化线宽对实际曝光量或光刻胶阈值等变化的敏感度,提高利用离焦方法进行衍射光学元件制作时的线宽稳定性.推导了稳定线宽后的光功率控制模型和线宽模型,模型中的变量仅为离焦量,降低了光功率控制的复杂性.利用632.8 nm的He-Ne激光和NA-0.1的物镜在CCD上对采用该方法后的离焦线宽模型进行验证,实验结果与理论模型吻合较好.该方法对于线宽稳定度较高的衍射光学元件制作具有重要价值.     

Diffractive lens with binary phase levels to generate two focuses

ＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｌｅｎｓｗｉｔｈｂｉｎａｒｙｐｈａｓｅｌｅｖｅｌｓｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｔｗｏｆｏｃｕｓｅｓＬＯＮＧＰｉｎ；ＬＩＵＪｉｅ；ＳＨＩＷｅｎｍｉｎ；ＨＳＵＤａｈｓｉｕｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｆｏｆＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃ...     

量子模型分析激光驻波原子透镜的像差

采用量子模型对近共振激光驻波原子透镜会聚Cr原子束、形成纳米量级光栅结构的物理过程进行数值模拟。为提高原子透镜的成像质量,对各种像差,如衍射像差、球差、色差、及原子束发散角、原子磁支能级、原子同位素等因素引起的像差进行了理论分析。模拟结果表明,相比粒子光学模型,量子模型能更加精确地描述原子会聚结果,且能解释原子在驻波光场中的衍射现象。在各种像差中,原子束发散角是最主要的因素,其影响大于衍射像差、球差、色差。原子的磁支能级、同位素等因素对像差影响很小,可以忽略不计。激光冷却准直原子束的方法可以减小束发散角引起的像差,压缩原子速度Vz分布范围的方法可以减小色差。     

Design and fabrication of diffractive elements for laser material processing applications

Diffractive optical elements have an important role to play in the provision of process adapted beam shaping for laser-materials processing applications. The design techniques and dominant methods of fabrication are described for intra-cavity and external beam shaping diffractive elements fabricated in a variety of dielectric and metallic materials for use with a wide range of laser sources. Theoretical and experimental examples are given in each section.     

二元光学在激光测距中的应用

利用二元光学器件的相位补偿作用进行波面变换,将高斯光束变换为平面光束,达到减小激光测距仪光束发散角的目的。在２０ｋｍ 处对激光光束发散角采用叠加积分衍射分析进行计算,得到结果为２ ×１０ － ４ｍｒａｄ , 远小于原来的２ｍｒａｄ 。计算还表明测程没有因能量损失而降低。