平面变形距光栅(VLS)的基本原理与线距修正系数的检测

变线距光栅是一种自消部分相差的光学元件.本文提出了用激光束检测变线系数的理论模型.计算表明变线距光栅的衍射波与平面波的干涉条纹可以用于检测变线距系数.     

平面变线距光栅（VLS）的基本原理与线距修正系数的检测

变线距光栅是一种自消部分象差的光学元件,本文提出了用激光束检测变线距系数的理论模型,计算表明变线距光栅的衍射波与平面波的干涉条纹可以用于检测变线距系数。     

高光谱分辨率紫外平场光谱仪的研制

光栅作为一重要的分光元件,广泛应用于各类光谱仪,其中球面变线距平场光栅以其独特的平场特性使其容易与阵列探测器结合使用,一次实现宽光谱范围的记录。商业球面平场光栅一般只会提供光栅的公称线密度以及相应的安装参数,而不会提供光栅具体的变线距参数,并且提供的安装参数是针对整个使用波段优化的结果。使用者往往只需要其中的一部分波段。针对这种情况,根据球面平场光栅聚焦、分光原理,利用生产厂家提供的光学元件安装参数给出了推导球面变线距光栅变线距参数的方法。并给出了利用这些参数,根据光谱仪的实际工作波段确定最佳的CCD安装位置的方法。根据推导的光栅变线距参数可以对光学系统进行光学追迹已验证光学系统的性能。研制了一台高分辨率紫外平场光谱仪,覆盖光谱范围230~280nm。采用的球面变线距光栅公称线密度为1 200lines·mm-1,使用波段为170~500nm。推导了该光栅的变线距参数,并针对230~280nm波段对CCD的安装位置进行了优化。同时利用不同元素的标准光源空心阴极灯对光谱仪进行了波长标定和光谱分辨率测试。波长标定采用参数拟合法,整个波段范围内的标定精度优于0.01nm。光谱分辨率测试的结果表明光谱仪的光谱分辨率达到0.08nm@280.20nm。     

用长程面形仪对变线距光栅的线密度进行拼接测量

随着同步辐射光源中光束线的分辨率不断提高,衍射光栅成为影响分辨率的关键因素,因此,在将光栅安装到光束线之前,需要进行准确的测试。用长程面形仪测量合肥光源光电子能谱线所需的变线距光栅的线密度,光栅衍射角变化范围超出长程面形仪的测量范围,因此采用拼接测量。用数据重叠测试及数据处理方法,消除了转台定位误差,有效抑制了随机误差,使光栅周期测量的重复性有较大提高。不同重叠率的测试结果显示,测量一致性优于1.13×10^-6(RMS),满足了变线距光栅的测试需求。     

变线距光栅线密度的干涉测量

变线距光栅在同步辐射装置、激光核聚变装置上有着广阔的应用前景，它的制作和检测方法尚未成熟。用干涉法测量变线距光栅的线密度，给出了测量原理、实验中的光路、数据处理的方法、测量结果。在待测光栅表面，衍射光干涉条纹的数量和密度是入射光干涉条纹和倍增后光栅的刻线之差。采用共光路的方案，使光路具有很强的抗干扰能力。用中值滤波消除干涉图像中的干扰。针对不同的干涉条纹，讨论和比较了两种测量方法，提出相对密度不变性。证明了干涉法完全可以用于变线距光栅的线密度测量，并能达到一定的精度，初步解决了检测问题，认为这种方法也可以用于变线密度光栅的加工中。     

相位光栅分离双波长宽角度光线的理论分析

使用衍射光栅的分色分光方式一般以平行光入射情况为讨论基础,对于非平行光入射的情况讨论较少.本文基于菲涅尔衍射理论和角谱理论,将球面波与平面波的衍射波场联系起来,从而在传播函数中引入角度参量,结合分数泰伯效应的理论基础,推导出双波长宽角度入射光线经相位光栅衍射后的波场分布函数,并对推导出的函数进行数值模拟,得到像面不同位置衍射波场分布.与平行光入射时的标准波场分布相比较,得到宽角度入射时的衍射波场的横向展宽量和偏移量.通过调节光栅台阶的宽度,改变衍射场的展宽和偏移,使各个单一波长的衍射波场宽度小于光栅周期的一半,从而减少双波长光衍射波场的混叠.同时本文给出波场宽度与光栅台阶宽度的变化关系,选取光栅面上多个位置作为台阶宽度的计算点,并对整个光栅的台阶宽度进行曲线拟合,得到可以使双波长宽角度入射光实现良好空间分离的光栅参量.该结果可用于各类宽角度入射光线的光谱分离场合,如双波长成像、液晶显示和液晶投影等.     

部分偏振部分相干光光栅衍射场的偏振特性和角相关研究

为了研究部分偏振部分相干光光栅衍射场的衍射特性.利用部分偏振部分相干光的光束相干-偏振(BCP)矩阵,推导出了部分偏振部分相干光通过任意偏振光栅后,衍射场的偏振度及场中衍射级次角相关的一般解析表达式.以部分偏振的高斯-谢尔模型光束(PGSM)为例,数值分析了偏振光栅TE和TM波的复振幅透过率、入射光束的光学参量对衍射场偏振度和场中各衍射级次的角相关的影响.计算结果表明,部分相干光透过偏振光栅后的其衍射光场是一非均匀、周期变化的部分偏振相干光场;场中对称级次的角相干值对应相等,且随衍射级次序数的增大而缓慢递减至零.     

超短脉冲激光光束在一维反射型体全息光栅中的衍射

基于Kogelnik的耦合波理论,研究了在色散效应的影响下,超短脉冲激光光束在反射型体全息光栅中衍射的性质.研究给出了衍射光及透射光在频谱域及时间域的振幅及强度分布、光栅的光谱宽度及衍射效率随光栅参量及入射条件的变化.数值研究的结果表明,在光栅记录介质色散效应的影响下,衍射光束的光谱宽度减小,脉冲展宽,衍射效率降低.通过适当的选取光栅参量及入射条件,可以控制衍射和透射光束的频谱和时间强度分布,得到满意的衍射和透射光束的带宽和波形,从而可以将其应用于脉冲整形等技术中.     

超短脉冲光通过光折变体光栅衍射及透射光强的瞬时变化特性研究

采用Kogelnik的耦合波理论,研究了超短脉冲光通过光折变体光栅的衍射及透射光强在时域的瞬时变化特性.发现衍射和透射脉冲波形与读出脉冲宽度、光栅周期、光栅厚度及光折变材料的折射率调制大小有密切关系.通过调整这些参量的数值,可以获得需要的脉冲形状.同时还发现衍射和透射脉冲在时间轴上有一定的偏移,偏移量的大小与参量选择有关.     

复色光源X射线光栅衍射效率

基于Fresnel衍射理论,分析了复色光源X射线光栅衍射效率.研究了X射线光栅不同材料、不同槽深、源的谱分布及不同占空比对衍射效率及成像质量的影响,给出这些参量的选择方法.主要考虑了各种参量对光栅0级及1级衍射强度的影响.发现高Z元素的物质不适合做X射线光栅材料,低Z元素Be、Si、Al及有机物PMMA等较适合18~30 keV波段的X射线光栅.源的谱分布决定了光栅槽深选择.数值计算给出了Si光栅各种参量的具体值.     

微球透镜超分辨显微成像与检测技术综述

受衍射极限的影响，传统光学显微镜的分辨率最高约为波长的一半，突破衍射极限，获得更高的成像分辨率是近年来显微成像领域的研究热点。相比于其他超分辨显微成像方式，基于微球透镜的超分辨显微成像方式具有简单直接、免标记等优点。主要介绍国内外研究团队将微球与传统的光学显微镜结合实现超分辨显微成像的研究进展，从微球透镜参数选择、成像方案、成像分辨率、成像视场及成像机理等多角度进行总结与比对；并结合课题组工作，介绍了将微球透镜与干涉显微技术相结合的三维超分辨检测技术，阐述了Linnik型与Mirau型两种检测光路原理，分析了三维超分辨检测的效果；展望了微球透镜超分辨显微技术在显微成像与显微干涉检测两个方面待解决的问题与发展方向。     

Theory and method of dual-energy x-ray grating phase-contrast imaging

The principle of dual-energy x-ray grating phase-contrast imaging(DEPCI) is clarified by using the theory of x-ray interference and Fresnel diffraction. A new method of retrieving phase from the two interferograms is proposed for DEPCI,and its feasibility is verified via simulation. Finally, the proposed method applied to DEPCI experiment demonstrates the effectiveness of the method. This paper lays the theoretical foundation for performance optimization of DEPCI and the further integration of DEPCI and computed tomography.     

空-频域中自成像分析和解释

基于魏格纳变换和魏格纳分布函数，分析讨论一维物体在空域-频域空间的自成像及其形成过程。从成像过程中各衍射频谱分量的光程差出发，给出Talbot效应和Montgomery效应的统一解释。对于周期物的Talbot效应，得到了用杨氏双缝干涉解释自成像现象的理论依据。周期物的自成像是物平面上间距为2倍周期,光程差为波长的整数平方倍的各衍射频谱分量同相相干迭加的结果。Montgomery效应是物平面上间距为抛物线关系,光程差为波长整数倍的各衍射频谱分量同相相干迭加的结果。     

Stokes参量数字全息法实现相位物体成像

为实现对相位物体的无损检测和成像,克服数字同轴全息相位物体成像技术在消除零级像和孪生像的干扰时存在的系列问题,提出一种基于Stokes参量的新的数字同轴全息技术。该方法区别于传统的利用干涉光场来记录原始像项的数字全息方法,通过测量物参光合成光束的Stokes参量来分别得到这两束光的振幅和相位差,从而准确、唯一地获得原始像项;再利用数字再现即可重构物光的振幅和相位信息。实验中对弱吸收的相位样品进行了测量,得到样品清晰的振幅和相位分布。结果表明,采用该方法对相位物体进行数字全息再现,可以克服传统同轴全息图中零级像和共轭像对相位物体信息的严重干扰,对于提取相位物体的振幅和相位信息是可行和有效的。     

光纤激光器频谱组束的理论研究

 建立了由光纤激光器阵列、薄透镜和衍射光栅组成的频谱叠加理论模型，基于高斯光束的变换和衍射理论，推导出远场光强分布的关系式，探讨了系统参量的优化设计并进行了数值模拟。结果表明：当中心波长激光器的-1级干涉主极大与槽面衍射主极大重合、零级干涉主极大刚好落在槽面衍射的+1级零值极小上、其它波长激光器的-1级干涉主极大与中心波长激光器的槽面衍射主极大重合时，输出光束的衍射效率较高；当光栅平面法线与薄透镜光轴的夹角为衍射光栅槽形角的一半时，输出光束的半角宽度较小。     

有限宽双光栅成像效应的分析与应用

 用稳相积分法分析了点光源经过2个平行放置的有限宽平面透射光栅组成的系统衍射后的复振幅分布。当两光栅满足双光栅成像条件时,将其衍射成像与无限宽双光栅衍射成像进行对比,得到有限宽光栅对双光栅衍射像的位置没有影响,而衍射像随两光栅之间的相对距离及衍射级数而变化。文中计算了满足双光栅成像条件时,某实验参数下衍射像的大小的情形,结果有限宽双光栅成像被放大了1.22倍。并根据其原理进行白光再现普通透射全息图色彩研究。     

Interference of speckle fields in the diffraction zone of a focused spatially modulated laser beam by a random phase screen

The processes of formation of average-intensity interference fringes upon diffraction by a random-phase object of a laser beam having interference fringes and focused on the surface of the object are considered. The dependences of the fringe contrast on the parameters of scattering inhomogeneities of the object and the parameters of the focused laser beam are established in analytical form for various diffraction regimes. Practical possibilities of a method of probing of scattering objects in problems of measuring the parameters of inhomogeneities and problems of interference-pattern formation in optical systems with scattering media are discussed.     

Reconstruction resolution enhancement of EPISM based holographic stereogram with hogel spatial multiplexing

We investigate how the splicing mode of a holographic element (hogel) affects the reconstruction of a 3D scene to improve the reconstruction resolution of a holographic stereogram fabricated using the effective perspective image segmentation and mosaicking method (EPISM). First, the effect of hogel spatial multiplexing on holographic recording and reconstruction is studied based on the mechanism of recording interference fringes in the holographic recording medium. Second, combined with the influence of multiple exposures on the hologram's diffraction efficiency, the diffraction efficiency of the holographic stereogram is analyzed in the spatial multiplexing mode. The holographic stereogram is then regarded as a special optical imaging system. The theory of spatial bandwidth product is adopted to describe the comprehensive resolution of the holographic stereogram, which explains why hogel spatial multiplexing can significantly improve the reconstruction resolution of a holographic stereogram. Compared with the traditional printing method under the same parameters in optical experiments, hogel spatial multiplexing has a lower diffraction efficiency but a higher quality of reconstructed image, consistent with the theoretical analysis.     

Analysis of reflection speckle holograms in a BSO crystal

A theoretical and experimental study of speckle registering in photorefractive BSO crystals through reflection hologram geometry is implemented. The three-dimensional speckle nature is considered in the diffraction efficiency calculations. The interference process produces index-of-refraction gratings in the speckle volume via the photorefractive effect. It is demonstrated that the coupled-wave theory for reflection geometry allows explaining the diffraction efficiency behavior when the interaction length is properly taken into account. It means that the speckle depth is related with the interaction length. The speckle depth can be controlled by the imaging system pupil aperture diameter. Under this condition, the influence of the speckle depth on the diffraction efficiency is analyzed. An agreement between the numerical model based on the coupled-wave theory and the experimental results is obtained.     

Interference effect of dual cylindrical microlenses with the closed boundary in dielectric incident space

The focal characteristics of closed-boundary cylindrical microlenses with dielectric incident space are investigated based on rigorous electromagnetic theory and the boundary element method. For single cylindrical microlens, focal performance is improved with the use of the dielectric incident space, for instance, its diffraction efficiency can be increased. Moreover, the interference effect of dual cylindrical microlenses embedded in a uniform dielectric material is studied in detail. Numerical results reveal that the interference effect between the dual microlenses can be suppressed substantially by the dielectric incident material environment. The interference effect can also be depressed by adjusting some other parameters, such as the distance between the dual microlenses, and the incident wavelength.