激光通过散射介质的聚焦

基于角谱衍射公式和散射介质的圆形高斯分布模型,数值模拟光通过散射介质的聚焦.通过反馈优化算法实现散射光束的波前整形,在目标位置处形成一个很亮的聚焦光斑.改变聚焦目标位置后,可实现任意位置处的单点或多点聚焦.讨论了空间光调制器上的总调制单元个数、每个调制单元相位准确度与光强增长因子的关系.结果表明:目标位置处的光强随着总像素单元数的增加而线性地增强,并且随着调制单元的相位准确度的增加而增强.     

高斯光束经表面有缺陷的厚非线性介质的传输特性

光学元件上存在的缺陷会对传输光束产生局域振幅和位相调制. 基于衍射理论模型和分步傅里叶算法,模拟分析了高斯光束经过表面有缺陷的非线性介质的传输过程中于介质内及从介质出射后在自由空气的传输特性, 并详细研究了在厚介质前表面有缺陷的情况下,介质中和自由空气中的光强分布演化规律. 研究表明,介质厚度越长、介质的非线性折射率越大,光束整体聚焦越厉害, 聚焦点离介质后表面越近.光束受调制点的位置离中心越近,光束分裂成丝产生的局部光强越大, 且介质表面存在缺陷将使通过的光束在介质后表面处产生一个很大的光强, 相位调制型缺陷产生的这一光强点比振幅调制型缺陷产生的光强点更强.     

基于纯相位调制的散射介质传输矩阵测量与光波聚焦

提出了基于纯相位调制的传输矩阵通用测量方法,搭建了传输矩阵测量的实验装置。分别利用单位矩阵调制和哈达玛矩阵调制方式进行了传输矩阵测量,并实现了穿透散射介质的光波聚焦。实验结果表明,基于单位矩阵测得的传输矩阵,其聚焦点光强为背景光强的19倍;而基于哈达玛矩阵测得的传输矩阵,其聚焦点光强为背景光强的16倍。     

相干光经过不透明散射介质的聚焦

由于散射介质的散射特性,入射光通过散射介质后相干性受到破坏形成散斑场,使得传统光学成像系统无法聚焦探测内部物体的信息。根据波前整形原理,通过反馈优化算法调控入射光束的相位,在目标位置处将散斑调制为聚焦光斑,光强增强。基于此方法,在实验上搭建实验平台,对空间光调制器(SLM)的每个像素加载系列等间隔相位,一次采集多幅散斑图像,应用局部最大优化算法实现对光束任意点聚焦,并提出了一种得到不同大小区域的均匀的聚焦光斑的新方法,为实现聚焦平面内的目标成像提供了新思路。     

基于黄金分割法改进反馈波前整形技术实现散射光的聚焦

通过对入射光束的相位进行调控,可以将激光经过散射介质的散斑调制为聚焦光斑。提出了基于黄金分割法改进反馈波前整形技术的方法,实现了光束经散射介质的聚焦。理论分析了黄金分割法相比现有的顺序算法在搜索单峰函数极大值时的优势,并对散射聚焦过程进行了数值模拟。结果表明,当改变总调制单元数和单个调制单元的相位调制精度时,采用黄金分割法调制相位相比于顺序算法,在调制速度上具有一定优势。     

基于黄金分割法改进反馈波前整形技术实现散射光的聚焦EI北大核心CSCD

通过对入射光束的相位进行调控,可以将激光经过散射介质的散斑调制为聚焦光斑。提出了基于黄金分割法改进反馈波前整形技术的方法,实现了光束经散射介质的聚焦。理论分析了黄金分割法相比现有的顺序算法在搜索单峰函数极大值时的优势,并对散射聚焦过程进行了数值模拟。结果表明,当改变总调制单元数和单个调制单元的相位调制精度时,采用黄金分割法调制相位相比于顺序算法,在调制速度上具有一定优势。     

偏振相移与相位共轭结合的散射光聚焦技术研究

散射介质对光的随机散射作用是制约其光学聚焦和成像的重要因素，光学相位共轭技术能够通过对散射光场共轭还原实现透过散射介质的光学聚焦和成像，其中散射光场相位的获取是共轭还原的核心。阐述了偏振相移的基本原理，将偏振相移与相位共轭技术相结合，设计了新的基于偏振相移的数字光学相位共轭系统。采用633 nm的HeNe激光器作为系统光源，毛玻璃作为散射介质开展散射光聚焦实验研究。实验结果表明:该装置能够成功实现透过散射介质的光学聚焦，其中聚焦点与背景光强的比值可达约400倍。     

平顶光束经表面有缺陷的厚非线性介质后的光强分布

基于非线性薛定谔方程和分步傅里叶算法, 研究了高功率平顶高斯光束经过厚非线性介质后在自由空间传输的光强演变过程, 详细分析了介质表面缺陷对光强演化规律的影响.研究结果表明, 平顶阶数越大, 光束的自聚焦效果越差, 最大光强点越靠近介质后表面.入射光束的初始场强越强, 介质的厚度和非线性系数越大, 光束的自聚焦越强, 且极值点越靠近介质后表面.介质表面的缺陷使得光束在靠近介质后表面有较大的光强. 并且相位调制型缺陷比振幅调制型缺陷对光强的影响更大. 关键词： 平顶光束 自聚焦 缺陷 光强分布     

基于阶梯相位调制的窄谱激光主动照明均匀性

提出一种基于阶梯相位调制的窄谱激光主动照明方法,利用阶梯型相位调制器对窄谱激光进行相位调制,提高照明激光到达目标处的光斑均匀性和稳定性.建立了窄谱激光阶梯相位调制和照明激光远场光斑均匀性的理论模型,搭建了光束经过1.8 km水平传输的窄谱激光主动照明实验平台,通过5阶梯相位调制器对0.05 nm线宽的照明激光进行相位调制,实现了照明激光远场光斑匀化实验.实验结果表明,通过5阶梯相位调制器进行相位调制后,远场光斑包含57%能量区域的空间闪烁率从0.73改善到0.33,中心光强时间闪烁指数从0.38改善到0.14,照明激光远场光斑均匀性和稳定性都得到明显提升.     

基于波前相位调制的宽视场光片显微镜研究

为解决光片显微镜成像视场范围小的问题,通过光束波前相位调制与图像拼接技术实现了光片显微镜对样本的宽视场成像。数值模拟了照明光束在波前相位调制后物镜聚焦面处的光强分布。搭建了光片显微镜光路系统,并对荧光微球、菊花花粉进行成像实验。采用片状照明光束对不同聚焦位置处的样本进行成像,再将图像进行剪裁、拼接得到宽视场成像结果。实验结果表明,488nm激发光通过数值孔径为0.3的物镜照明样本成像,可在保持光片厚度为0.81μm的情况下达到31.93μm的成像视场,视场扩展到原视场的3倍以上。仿真和实验表明,采用光束波前相位调制与图像拼接技术可在不损失层切能力的前提下扩展光片显微镜的成像视场。     

沙尘天气下激光信号的传输特性

以小角度近似为条件,利用逐级递归的方法推导了激光信号在沙尘天气下的辐射传输方程,得到了多次散射下的光强分布函数,以及波长和不对称因子对光强的影响。同时,通过比较不同散射相位函数及沙尘粒子的散射特性,采用了修正的TTHG(Two Term Henyey-Greenstein)散射相位函数,更加全面地反映了沙粒散射后光强的变化规律。研究结果表明,随着光学厚度的增加,散射光强呈现出先增大后减小的趋势,且多次散射的比重相比于单次散射而言逐渐增大。当散射次数超过3次以上时,接收光强的变化可以忽略不计。相对于Mie理论下的结果而言,采用小角度近似理论,从辐射传输的角度分析沙粒的散射特性误差更小,实现了准确描述沙尘天气下激光信号传输特性的目的。     

调制散射光束的振幅实现聚焦

光束通过生物组织白色涂料等散射介质后将发生散射,实现对散射光束进行整形和控制具有重要的意义。使用振幅调制实时反馈的方法,对入射到散射样品的相干光的振幅进行预调整,探测器实时读取散射光斑数据作为反馈依据,以此调制空间光调制器上的对应区域,进一步补偿由散射介质引起的振幅失调。实验结果表明,目标位置光强得到显著增加,其能量平均值是调制前散射区域能量平均值的11倍。     

分数评估法实现光通过散射介质聚焦

为了解决强噪声环境下的相干光通过散射介质聚焦与成像问题,本文提出分数评估法,利用该方法对入射光的相位分布进行迭代优化。分数评估法的基本思想是在优化迭代过程中,通过参考目标光强值赋分的方式对相位值进行评估和考量。通过二元相位优化的方式提升迭代程序运行的速度,缩短聚焦时间,以便将该方法运用于动态散射介质。将该方法与蚁群算法对比,结果发现,分数评估法在强噪声环境下仍然能够实现散射聚焦,而蚁群算法在强噪声环境下失效。实验测得分数评估法的焦点光强是优化前散斑平均光强的71.4倍。因此,对于今后在生物成像、光电检测等应用领域,应当优先考虑使用分数评估法优化入射光的波面以提升成像或聚焦的分辨率和清晰度。     

菲涅耳波带板无运动卷积全息术

提出了菲涅耳波带板(FZP)无运动卷积全息术.该技术使用均匀扩展光源,使得从光源不同位置发出的光在经过FZP编码孔径之后,在物体上形成多个菲涅耳波带板投影叠加.物体的全息图是FZP投影光强分布函数与物体的光强分布函数的卷积,无需机械运动便得到物体的扫描全息图.采用数字相关解码方法实现全息图的再现.用蒙特卡罗方法模拟了菲涅耳波带板入射光束在经过散射介质以后,其出射光强分布随散射介质厚度的变化规律.结果表明:当散射介质厚度为5 cm时,出射光束依然基本保持菲涅耳波带板形式的光强分布.对嵌埋在浓度为1%的Intralipid散射溶液中直径为0.4mm的金属丝进行成像实验,分别得到当散射介质厚度为1cm、3cm和5cm时的再现像,实验验证了菲涅耳波带板无运动卷积全息术用于高散射介质中物体成像的可行性.     

厚介质情况下激光“热像”的演化规律分析

以“热像”形成的衍射理论模型和分步傅里叶算法为基础，模拟研究了厚介质情况下“热像”的形成特点.重点分析了散射点调制系数(包括振幅调制和相位调制)、散射点与介质前表面之间的距离、散射点大小、入射光强等参数的变化对“热像”点位置以及强度的影响.数值模拟结果与解析理论结果进行了对比，在散射点调制系数和入射光强的变化对“热像”的影响两种情况下，得出了与解析理论基本一致的结论；在散射点大小的变化对“热像”的影响情况下，得出了与解析理论预言不同的结论.此外，还发现散射点与介质前表面距离为零时，在介质后表面也可能出现“热像”效应. 关键词： 热像 小尺度自聚焦 分步傅里叶算法 散射点     

浑浊介质中激光侧向散射实验与仿真研究

通过对M ie散射相位函数的累积概率密度插值获得散射角,建立了激光在浑浊介质中传输的蒙特卡罗仿真模型.借助模型研究了激光在均匀单分散聚苯乙烯浑浊介质中的多次散射现象,探究了不同光学厚度和散射相位函数的浑浊介质对激光多次散射的影响.在研究中控制5μm和10μm两种粒径聚苯乙烯颗粒的浓度,改变浑浊介质的光学厚度分别为2、5...     

基于液晶相控阵的聚焦式相干合成建模及性能

提出一种相干激光聚焦式传输进行相干合成的方法。通过液晶相控阵波束方向控制技术,可以在目标区域内的任意位置进行相干合成。基于实际参数,建立相干合成理论模型,在此模型下5束相干激光在距离为100m、坐标为2m的位置进行相干合成后,激光的峰值光强增加到单束激光的16.9倍。研究了目标区域内不同位置的峰值光强变化规律,分析发现光束抖动的直接原因是出射激光的相位面产生畸变,深层原因是电压量化引起的相位延迟误差。量化位数小于16时,增加量化位数可以显著减小位置误差,提高峰值光强;量化位数大于16时,量化位数不再是位置误差的主要原因。传播距离大于5000m时聚焦式相干合成可等效为平行式相干合成,N束激光合成后峰值光强接近单束激光的N2倍。     

太赫兹光脉冲在生物介质中传播的蒙特卡罗法模拟

太赫兹光脉冲照射生物组织,利用蒙特卡罗方法模拟光脉冲在生物介质内的散射传播过程。光脉冲准垂直入射的情况下,得到了介质表面总漫反射率和总漫透射率与介质散射系数、吸收系数、平均散射余弦,以及介质厚度之间的关系;散射系数越大,总漫反射率越大;平均散射余弦值越小,总漫反射率也越大;同时总漫反射光强随着介质厚度的增加而增大,但存在一个极限值。     

宽频带光束非线性热像效应的实验研究

实验研究宽频带脉冲光束通过非线性介质时的非线性热像的形成过程,揭示了光束入射功率和脉冲宽度、介质厚度等因素对热像光强和位置的影响. 结果表明,与单纵模激光束一样,在宽频带脉冲光束情形下,非线性介质上游元件的模糊斑调制也可导致在下游共轭位置形成热像. 热像光强随入射光束功率的增加而增加;若脉冲能量一定,则热像光强随脉冲宽度的增加而减弱;若脉冲峰值功率一定,则热像光强随脉冲宽度的增加而增强. 关键词： 高功率激光 热像 宽带光束 小尺度自聚焦     

强聚焦涡旋光束经过散射介质的实验研究

激光束经过大数值孔径透镜聚焦后,可以得到一个亚波长大小的聚焦光斑,能够用于显微技术、光刻和数据存储。通过实验的方法,研究了强聚焦的涡旋光与非涡旋光经过散射介质的透射率,并分析聚焦透镜数值孔径和涡旋光拓扑荷数对聚焦光透过散射介质能力的影响。实验结果显示:在相同的实验条件下,涡旋光的透射能力比非涡旋光更强;拓扑荷数越大,聚焦光透射能力越强;数值孔径越大,聚焦光的透射能力越强。