菲涅耳-基尔霍夫积分与半波带法分析衍射光谱

惠更斯菲 涅耳原理指出光的衍射本质是无穷多次波的相干叠加.在研究衍射光谱的强度时可使用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分进行计算,但该积分的计算较为复杂.为了简化计算而引入菲涅耳半波带的概念,把积分运算简化为振幅矢量的叠加,从而在研究衍射时由菲涅耳-基尔霍夫衍射积分过渡到菲涅耳半波带法.在菲涅耳半波带法中波前上相邻两个半波带到达叠加点的光程差为半个波长,从而导致相位差π.因此相邻两个半波带引起的振动在叠加点发生相消,最终叠加点的光强由发出次波的半波带数目的奇偶性决定.奇数个半波带在叠加点的光强得到加强,偶数个半波带在叠加点的光强发生相消.     

经历300年以后惠更斯原理被修正

光的波动说的奠基人惠更斯在1690年对光的传播作如下解释:[1]“某一瞬间波阵面上各点各自作为新光源,由它们发出的球面子波的包络面就是下一个波阵面.”这就是著名的惠更斯原理.1816年菲涅耳把惠更斯原理数学公式化[2],成功地解释了衍射现象.在惠更斯-菲涅耳的理论中有一个明显的不合理之处即只考虑球面子波向前传播的那一部分,不加说明地舍弃了球面子波向后传播的另一部分.300年来,物理学家一直回避这个问题,没有明确地给予回答. 在菲涅耳的理论中必须引入一个比例系数K,假定子波是以振幅1/ 、位相 /2来传播的,这在当时仅仅是为了计算上的…     

非均匀偏振光束通过环状光阑像散透镜的聚焦特性

借助于光束相干偏振矩阵和广义惠更斯－菲涅耳衍射积分公式,研究了非均匀偏振(NUP)光束通过环状光阑像散透镜的聚焦特性,并将圆孔光阑作为环状光阑内径为零的特例处理.数值计算结果表明,实际焦点位置、光强和偏振度分布与透镜的像散、环状光阑的菲涅耳数和遮拦比以及NUP光束参量有关.     

菲涅耳声透镜聚焦性能的研究

本文从理论及实验上对斜面、弧面、相位补偿带板几种菲涅耳声透镜的聚焦性能进行了研究。先应用惠更斯-菲涅耳原理,采用较菲涅耳近似更高阶的近似方法,得出了适于计算大孔径透镜声场分布的数值计算公式;接着作了实验验证。理论和实验表明:上述几种菲涅耳透镜都具有较好的聚焦性能,焦区声场分布大致相同。在相对孔径为0.9,波长为1.41mm的条件下,横向分辨率为2mm,3dB焦深为17mm,第一旁瓣比主瓣下降17dB。     

关于菲涅耳半波带法的若干讨论

菲涅耳把惠更斯提出的次波概念和杨氏提出的干涉原理结合起来,认为次波是相干的,建立了惠更斯-菲涅耳原理。这是从光的波动性出发关于光传播规律的普遍原理。它可以表为标量积分的形式,定量地研究衍射现象。但积分常常比较复杂。半波带法是菲涅耳提出的一种简便方法,它能够定性地分析各种衍射现象。本文将讨论由于某些教科书中阐述不够详尽或不够确切所造成的疑问,并运用半波带法对某些衍射现象作进一步的分析,最后概括地说明     

聚光镜型大口径菲涅耳透镜的设计理论和研制

为研制大口径聚光镜型菲涅耳透镜,本文建立了一套较完整的设计和分析理论。文中根据几何光学等光程完善成象的原理和象差理论,指出简化成聚光镜型菲涅耳透镜的原型透镜为非球面平凸透镜。本文在推导出两种类型的菲涅耳透镜的计算公式后,从棱镜对光束的影响、比较两种透镜的集光效率和球差值的大小诸方面,对菲涅耳透镜的类型进行了最优化选择。为了确定该透镜的焦距、环距、通光口经等参数,本文讨论了效     

分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜设计

针对传统点聚焦菲涅耳透镜聚光分布均匀性较差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点,提出了一种分区多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜的设计方法。在传统圆形同心环带点聚集菲涅耳透镜的基础上截取4个缺角等腰直角三角形菲涅耳透镜单元,做无缝拼接形成分区域四焦点叠加的方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜,通过这4个区域光的叠加有效改善了聚光的均匀度。基于光线追迹法,采用TracePro光线模拟软件模拟并分析了环距、缺角弦长、腰长等透镜结构参数对聚焦光斑形状、聚光均匀度、辐照度等光学性能参数的影响。结果表明采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形,聚光均匀度高达90%以上。     

可编程菲涅耳相位透镜应用于多平面全息投影

研究了基于菲涅耳相位透镜实现多平面全息投影的方法,采用硅基液晶相位调制器建立了多平面全息投影系统.首先,利用可编程菲涅耳相位透镜代替傅里叶透镜,将计算机生成的相位全息图与菲涅耳透镜的相位结合;其次,基于时分复用和空分复用原理提出了加载菲涅耳相位透镜与相位全息图到相位空间光调制器上的两种方法;最后,讨论了在多平面全息投影中每个单一平面实现旋转物体动态360°视角显示的方法.实验结果表明:在距离硅基液晶分别为500、800、1 100和1 400mm处的四个重构平面可以获得全息投影图像;通过动态地改变菲涅耳相位透镜的焦距,可以实现多平面全息投影.     

拼接菲涅耳透镜子镜失调误差分析

大口径菲涅耳透镜由多个子镜拼接而成,子镜失调误差会影响拼接菲涅耳透镜的成像质量,以瑞利判据作为评价标准,根据菲涅耳透镜波前像差理论,分析了拼接菲涅耳透镜子镜各个自由度失调误差公差允限,给出了理论计算公式。分析表明:拼接菲涅耳透镜F数越大,各自由度失调误差公差允限越宽松。采用Zemax软件进行理论仿真,利用干涉仪对拼接波前进行实验检测,检测结果显示,拼接波前与理论计算最大误差为0.006λ,验证了理论的正确性。分析结果为拼接菲涅耳透镜光机设计、检测与装调提供了理论依据与指导。     

用实函数直接计算光栅衍射的光强分布

给出了依据惠更斯-菲涅耳原理,用实函数积分直接导出光栅衍射在光屏上任一点的合振动的表达式以及光强分布函数的方法.     

双折射晶体入射、折射光电场矢量的琼斯描述及界面处菲涅耳方程的修正

为了用琼斯矢量更明确地表示双折射晶体入射光和折射光的偏振状态,利用波法线椭球和物质方程,将入射光和折射光的电场矢量均视为由o振动和e振动两个方向的分量叠加而成,并将之投影到垂直于和平行于入射面的两个方向上。其中,入射光和折射光电场分量之间的关系用菲涅耳方程中的透射系数表示。考虑到e光电场矢量与电位移矢量的差别,对菲涅耳方程进行了一定的修正以满足e光的边界条件。最终给出了入射光和折射光电场矢量的琼斯矢量形式。并通过具体的数值计算说明,菲涅耳方程修正前后e光的透射系数有一定的差别,且e光的电场矢量和电位移矢量之间的分裂不可忽略。     

用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计

根据边缘光线原理,优化设计太阳电池及光伏系统的菲涅耳线聚焦聚光透镜.设计光学聚光率为18×,可用于空间、地面光伏系统的聚光系统.分析了其集光角特性,表明该菲涅耳线聚焦棱镜具有大的集光角(±7°).     

球基面菲涅耳透镜设计及其聚光特性

本文探讨设计球基面菲涅耳透镜的方法和球差计算公式,分析各种可能的设计结果,通过计算实例说明影响光效率的各种因素。提出内齿形球基面菲涅耳透镜比平基面菲湟耳透镜的光效率增加20％—100％。     

用电视技术观察单缝和圆孔衍射

观察菲涅耳衍射的装置原理如图所示。A 为2mW 的氦氖激光器,L 为透镜,使由激光管发出的平行光汇聚于透镜焦点而成点光源。O 为光阑孔径可调的圆孔或缝宽可调的狭缝。C为已慑下物镜的电视摄像机。经圆孔或狭缝衍射的衍射条纹进入电视摄像机的视频办理出分别接至电视接收机的视频办理入和示波器的Y轴。     

宽频带激光自由空间传输的调制特性研究

基于惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,研究了宽带光束在菲涅耳衍射区的自由空间传输特性,得到宽带光束传输的调制深度与光束带宽Δλ及菲涅耳数F的变化关系。结果表明:一定的带宽对光束的均匀性有适当的改善;当光束的带宽Δλ<2λ0/F时,带宽越大,光束越均匀;当带宽满足条件Δλ=2λ0/F时,菲涅耳衍射完全消失;在一定的菲涅耳数范围内,宽带光束的调制深度随菲涅耳数振荡变化,振荡曲线的主极大值和次极大值分别出现在菲涅耳数为奇数和偶数处,而极小值则出现在菲涅耳数F=2k±1/3(k=1,2,3,…)处,在极小值处光束的均匀性最好。     

室内可见光通信系统中菲涅尔透镜接收天线的设计研究

针对基于白光LED室内可见光无线光通信技术的应用需求, 设计了等齿距平面菲涅尔透镜. 相比常规透镜光接收天线, 菲涅尔透镜具有聚焦能力强、焦距短、透镜厚度薄、重量轻、成本低等优点. 利用Trace pro软件对设计进行了模拟仿真, 分析了透镜不同设计参数对接收天线光学增益、光学效率及光斑尺寸的影响, 讨论了透镜在平行光斜入射时的会聚情况. 结果表明, 平面点聚焦菲涅尔透镜的光学效率可达92.1%, 适用于小视场、高增益接收光学系统前端.     

对基于激光单缝衍射测量实验的优化

根据惠更斯-菲涅耳原理,从理论上分析计算了基模激光光束因其在衍射平面上光强和相位的不均匀性对衍射光强分布的影响.在实验中设计了双透镜结构降低以上因素带来的影响,使得以基模激光作为光源时的衍射光强分布与均匀光近似相同,进而实现对亚毫米尺寸的非接触式测量.     

平面偏振光的布儒斯特入射

菲涅耳公式给出了两种透明介质界面处,平行入射面的光矢量(P矢量)和垂直入射面的光矢量(S矢量),在分界面上的振动状态[1].     

线宽误差对菲涅耳透镜衍射效率的影响

基于标量衍射理论,首先得出存在线宽误差情况下4阶菲涅耳透镜衍射效率的解析式;并以 4阶、8阶和16阶菲涅耳透镜为例,进行计算机模拟计算并系统分析线宽误差对菲涅耳透镜衍射效率的影响。通过实验测量16阶菲涅耳透镜的线宽误差,分析其对16阶菲涅耳透镜衍射效率的影响。模拟计算结果对多阶菲涅耳透镜的制作提供重要的理论指导。     

惠更斯-菲涅耳原理及其发展

惠更斯-菲湼耳原理是波动光学的基本原理,是研究衍射現象的理論基础。在普通物理光学部分的教学中占据着重要的地位。闡明惠更斯-菲湼耳原理的精神实貭和它的局限性、說明它在波动光学中的地位是教学中的重要課題。本文将参照历史的順序,扼要地闡述惠更斯-菲湼耳原理及其发展,并尽可能地給予物理上的說明。(一)惠更斯-菲湼耳原理关于光的本性,在十七世紀曾經引起著名的微粒說和波动說的爭論。以惠更斯为代表的波动說,认为光是以太的波动,光的传播是以太运动的传播,而不是以太貭点的迁移。关于光