基于圆锥透镜生成双级无衍射光束的理论分析

为进一步完善多级无衍射光束的传输与转换理论,基于轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析,采用数值模拟软件对双级无衍射光束的空间光强分布与轴上光强分布进行仿真;基于锥镜加工工艺对锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布进行研究,分析了双级无衍射光场的场强大小和影响光场振荡周期的因素。结果表明:理想双级轴棱锥透镜生成的无衍射光场由4个区域组成,在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥衍射场的耦合叠加,其余区域仍保持单级无衍射光场分布特性;锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布受双曲线特征参数影响较大。其特殊的光场分布为多级无衍射光束拓展至大尺寸空间测量以及粒子微操作等提供了新的可能。     

阿达玛光谱仪的入射狭缝选择方法研究

为了确定光谱仪的入射多狭缝结构设计的可靠依据,研究了4种阿达玛S型狭缝阵列发生衍射后的光强分布.采用MEMS加工技术制作出最小狭缝单元为6 μm×6 μm的一体式微硅片阿达玛狭缝阵列,对3种S7型狭缝和一种S15型狭缝进行比较.首先利用阿达玛矩阵构造狭缝阵列的孔径函数,得到了衍射后的光强分布函数;然后运用Matlab软件对光强分布函数仿真,获得了符种狭缝衍射后的光强分布图及光通镀对比.搭建了试验装置进行验证,试验表明实际衍射光强分布及光通量间的比值都与仿真结果相符.最后分析了狭缝结构参数对光强分布的影响,总结了S型狭缝阵列衍射规律.所提出的衍射光强分布方法,为光谱仪中入射狭缝的选择与设计提供了理论依据,为实际应用提供了有价值的参考.     

光纤耦合LD光束特性及其对振荡光模式的影响

基于菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论,研究了端面泵浦固体激光器中泵浦源——LD阵列光纤耦合模块的输出光空间特性,及其对振荡光特性的影响。结果显示:LD阵列光纤耦合模块的输出光强分布不平滑,呈多尖峰分布,尖峰位置对LD光束指向角敏感,随指向角、空间排布等因素的变化而变化,是多种因素综合作用的结果;具有尖峰结构的泵浦光场对振荡光横模结构有直接影响,泵浦光尖峰位置越居中,光强径向分布曲线在轴心处越凸起,振荡光光束质量越好,越凹陷,振荡光光束质量越差,在激光器设计中应有针对性地具体考虑应对措施。     

球差对圆偏涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用理查德-沃耳夫矢量衍射积分,分析了初级球差对圆偏振涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响,获得不同球差系数下的光强分布.结果表明,当初级球差系数增加,会聚光点偏离系统焦平面,纵向光场发生改变;焦点光强逐渐减小,焦平面光场发生变化;光轴上光强峰值逐渐减小,峰值两侧的旁瓣变化趋势相反,光强由对称分布变成非对称分布;初级球差对贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响不依赖其偏振态;离焦无法完全补偿初级球差对聚焦光场的影响.     

矢量空心高斯光束横纵向光场传输特性

基于矢量瑞利-索末菲衍射积分,研究了矢量空心高斯光束横向光场和纵向光场在自由空间中的传输特性.研究结果表明,空心高斯光束的横向光场与纵向光场在传输过程中光强分布情况并不相同,横向光场的光强分布具有旋转对称性,并且保持空心特性的距离受光束阶数的影响,而纵向光场不再具有旋转对称性,并且在理想状态下纵向光场可以一直保持空心特...     

轴锥镜光强分布的角谱衍射数值分析法

针对理论上推导轴锥镜的衍射光场分布解析式较为困难,且用菲涅耳衍射理论分析时存在近轴近似及不能适用于近场衍射光场分析的问题,采用了严格遵从标量衍射亥姆霍兹方程的角谱衍射波前重建方法,对轴锥镜在单色和准单色高斯光波照射下的横向和轴向衍射光强分布特性,以及在单色均匀平面光波照射下的轴向衍射光强分布进行了数值计算和分析。结果表明,轴锥镜后单色光衍射光强分布在几何光束重叠的菱形区域内为近似无衍射贝塞尔光强分布,轴上光强沿光轴方向呈振荡变化,轴上光强分布规律与入射光波的垂轴横向光强分布有关;入射光的准单色性使得贝塞尔衍射条纹对比度略下降、轴上光强沿光轴方向振荡程度减小,但分布规律与单色光一致。     

小孔阵列衍射特性与应用

以单色标量波衍射理论为基础,研究了均匀平面波从不同角度入射小孔阵列的衍射特性。运用单孔衍射理论,同时考虑相邻小孔间衍射光强的相互影响,建立了小孔阵列衍射的理论模型和光强分布的数值积分式,小孔为硬边小孔。利用Matlab对500 nm波长的平面波入射微小方孔阵列衍射图样进行了计算机仿真,得到了不同几何参量下平面波从不同角度入射时的衍射图样的一维和二维光强分布图,并将仿真结果用于微型数字式太阳敏感器的光学系统中的结构参量设计和图像处理中的参量确定。太阳敏感器的成像实验结果表明,小孔阵列衍射光强分布图的仿真结果正确、太阳敏感器光学系统参量设计合理。小孔阵列衍射理论为太阳敏感器的光学系统设计和图像处理提供了可靠的理论基础。     

大面积拼接光栅的远场衍射分析

针对大面积光栅制作过程易出现的拼接偏差问题,基于标量衍射理论推导拼接光栅远场衍射的光强分布,计算分析几种常见拼接误差对拼接光栅性能的影响,以确定光栅拼接过程的误差容限.研究表明:拼接光栅的远场衍射光场随纵向和横向平移误差的变化呈周期性,且这两种平移误差带来的影响可相互补偿;而拼接光栅的旋转误差对远场衍射光场分布的影响较严重,当旋转误差增大到9.5875×10－5度时,衍射光场的峰值光强降为0.9,且两光栅各自峰值出现的方向成9.5875×10－5度.     

畴腐蚀掺镁铌酸锂可调阵列光分束器的研究

研究了不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角可调阵列光分束器的分数Talbot效应.对不同Talbot分数β和不同畴腐蚀深度的阵列光分束器Talbot衍射像进行了数值模拟理论研究.模拟结果表明,Talbot分数β可以改变Talbot衍射像的周期及结构分布,而畴腐蚀深度可有效调制衍射像的光强分布.在理论研究的基础上,设计并制备了具有不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角阵列光分束器,对其在不同Talbot分数β条件下的分数Talbot效应进行了通光实验研究,实现了畴腐蚀阵列光分束器对近场Talbot衍射光强分布的调制,实验结果与理论研究结果一致.     

二维阵列光场衍射自成像效应的倒格矢分析

基于衍射的角谱理论,分析了一般二维周期阵列光场的衍射特性.提出了一种用阵列光场的倒格矢来研究和描述衍射自成像（或泰伯效应）的方法.给出了用倒格矢表示的一般衍射自成像条件.在此基础上,对典型的非正交六方型二维周期阵列光场的泰伯效应和分数泰伯效应进行了定量分析和计算机模拟.     

双级无衍射光束的生成理论与实验研究

为进一步完善多级无衍射光束的传输与变换理论,拓展双级无衍射光束的应用范围,根据轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析;基于轴锥镜法搭建生成双级无衍射光束的实验平台,获取了沿光轴传输至不同距离处的截面光斑及其光强分布,探究了平行光束不同入射倾角对无衍射光束传输变换的影响.实验结果表明:双极无衍射出射光场由四个区域组成,在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥出射场的耦合叠加,其余区域仍保持单级无衍射光束的传播特性,其光强大小受轴棱锥透镜的入射光阑与透镜底角影响,光斑破裂程度与平行光束的入射倾角呈正相关.本文对双极无衍射光束的空间传播特性、光强分布特性、光强影响因素等做了详细分析,对拓展多级无衍射光束的应用具有指导意义.     

椭圆高斯光束产生近似无衍射Bessel-Gauss光

研究了轴棱锥聚焦像散椭圆高斯光束的光场分布特性,根据菲涅耳衍射积分理论导出了椭圆高斯光束经轴棱锥衍射后的光场分布,通过数值积分给出椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的近轴光场强度分布情况,将其与圆高斯光束产生的近似Bessel-Gauss场进行比较,发现椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的光束在一定的传播距离内也具有无衍射特性,且轴上光强分布与圆高斯光束产生的Bessel-Gauss光束的轴上光强分布具有相似的形式,而这种无衍射光场的强度在垂直于光轴的平面上不再是柱对称分布。根据近轴球面波产生近似Bessel光束的最大无衍射距离公式计算了椭圆Bessel-Gauss光束在子午面和弧矢面上的最大无衍射距离,整个光束的无衍射距离由入射到轴棱锥上的椭圆光斑短轴方向的尺寸决定。     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

螺旋微孔阵列对涡旋光束的调制机理研究

从理论和实验上研究涡旋光束通过具有费马螺线分布微孔结构的衍射板后拓扑荷数的变化情况,以及光束强度分布的衍射和聚焦特性。利用一个正透镜对衍射光束进行聚焦,观察和研究聚焦光束在焦平面后一定范围内的光强分布变化情况。衍射光束的最内环光强分布在束腰前后约有五个变化阶段。这一变化趋势适用于涡旋光束通过微孔沿不同费马螺线分布的衍射板的情况,无论是螺线旋转方向的改变,还是螺线结构数目的改变。通过衍射光束与球面波的干涉来验证拓扑荷数的变化规律。结果表明,这种衍射可以产生新的拓扑荷数,其变化与入射涡旋光束的相位波前和螺旋微孔阵列的相对旋向有关。     

离轴椭圆矢量光场传输中的光斑演变

对离轴椭圆矢量光场的传输特性进行了研究. 推导出离轴椭圆矢量光场在自由空间传输电场和光强的解析表达式. 数值分析结果表明, 离轴高阶圆柱矢量光场具有非对称的光强分布, 传输后的光强分布由传输距离、错位位移、椭圆率决定. 在传输过程中除了光斑会展宽外, 光场中的暗斑会逐渐消失, 最终趋于一种稳态光强分布; 相对于初入射平面的椭圆光斑, 稳态椭圆光斑长短轴互换了. 研究结果有助于深入理解离轴情况下椭圆矢量光场的动态传输特性, 同时可以指导实际椭圆矢量光场的校准.     

结构光场编译码通信研究进展

结构光场是一类对光波空间结构进行剪裁的特殊光场。广义的结构光场包括具有空间变化的幅度、相位、偏振分布和空间阵列分布的光场。结构光场因其独特性而在光学操控、显微、成像、计量、传感、非线性光学、天文学、量子科学和光通信等领域获得了广泛应用。基于结构光场的光通信技术包括复用通信和编译码通信。本文回顾了结构光场编译码通信的研究进展,全面综述了结构光场的产生方法以及不同空间模式(轨道角动量模式、无衍射贝塞尔模式、线偏振模式、矢量模式、空间阵列)、不同编码方式(直接模式编码、高速映射)和不同应用场景(光子芯片、自由空间、光纤)的结构光场的编译码通信,并对其未来发展趋势进行了分析和展望。结构光场编译码通信开发了光场空间域维度资源,有望为解决光通信新容量危机和实现光通信可持续扩容提供潜在的解决方案。     

衍折射设计用于均匀照明的衍射光学器件

 在工艺上衍射光学元件是通过相位板来实现的,由于其多台阶化产生的不连续性,会对目标光场产生sinc调制,产生高级次衍射斑,损失了15%或者更多能量。通过对设计衍射光学器件的传统的IO迭代算法进行了研究,提出了一种与衍折射相结合的设计方法,在衍射光学器件的部分区域形成一块连续相位区域,减少了相位片台阶化区域的光强和衍射斑的强度。通过逐步变化连续相位对输出光强情况的影响的研究,可以优化相位参数,使入射到输出面的光束保证一定匀滑性的前提下,提高目标光场区域的衍射效率达到90%以上,能够满足均匀照明的要求。     

轴棱锥透镜面形偏差对无衍射光束传播特性的影响

为了探究轴棱锥透镜面形偏差对无衍射光束传播特性的影响,建立了三种相对理想锥镜母线的偏离模型,即母线向内侧凹陷、外侧凸出、顶点呈双曲线分布的轴棱锥透镜.推导了各偏离锥镜的振幅透过率函数,并基于菲涅耳衍射理论对平面波经三种母线偏离锥镜的出射光场及光强分布进行了理论分析与数值模拟.结果表明:锥镜母线内凹时,光场强度变小,焦深延长,纵截面光场逐渐发散,沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变大;锥镜母线外凸时,光场强度激增,焦深变短,纵截面光场逐渐汇聚,沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变小;锥镜顶点呈双曲线分布时,光场振荡加剧,场强和焦深几乎不变,纵截面光场发散后逐渐恢复至均匀分布状.研究结果可为分析轴棱锥透镜锥面加工误差对无衍射光束传播特性的影响、进一步完善无衍射光束衍射场理论,以及拓宽其工程应用范围等提供参考.     

柱透镜聚焦高阶Bessel光束产生焦散光束

研究了高阶Bessel光束经过柱透镜后的光场分布特性.在广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论基础上,推导出高阶Bessel光束透过柱透镜后的衍射光场分布表达式;并利用MATLAB和MATHCAD模拟了不同传播距离处的光强分布.实验上,利用轴棱锥和螺旋相位板产生不同阶数的高阶Bessel光束,并使产生的高阶Bessel光束经过柱透镜,最后用CCD记录下不同距离处的衍射光场.研究结果表明,高阶Bessel光束经过柱透镜形成唇状的焦散光束.     

基于微纳结构及材料特性的光场调控模拟研究

利用时域有限差分算法（FDTD）对微纳结构靶的光场分布进行仿真模拟,探究微纳结构靶中的光传输机制,分析材料特性和结构参数对光传输特性和光场分布的影响。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比半导体氧化铝、绝缘体二氧化硅和金属铜三种导电性不同的材料上纳米线和纳米孔阵列微纳结构靶的激光传输特性,分析光传输过程中的光场分布变化。研究结果表明,通过改变氧化铝和二氧化硅纳米孔（线）阵列结构靶中孔洞（纳米线）直径和间距等结构参数,可以实现对微纳结构靶中光传输特性和光场分布的调制,实现光场在介质材料和真空区域间的周期振荡分布,或是以一种稳定形态传输;激光在铜纳米孔阵列中传输时,透光性随孔洞半径的增加而增加。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比不同材料、不同微纳结构靶的激光传输演化特性,给出物理图像及对应现象规律,根据光场调控需求,给出微纳结构靶设计。