变折射率介质中光线追迹通用算法的研究

基于几何光学的光线折射和反射原理提出了变折射率介质中的光线追迹算法,给出了在光线追迹过程中进行递推的反射光线和折射光线的方向余弦方程;解决了空间中法线的确定和光线回转等问题。最后通过对多种不同的存在解析解的特殊折射率分布的数值解值和解析解值的比较,验证了算法的正确性,并且讨论了应用算法时应该注意的问题和算法中还有待解决的问题。该算法不但具有广泛的适用性,基本不受折射率分布的制约,而且其数值解精度达10^-5。该算法在变折射率介质的光学设计和空间成像补偿等方面有着广阔的应用前景。     

非对称光学系统的ABCD定律

用矢量分析的方法简明地推出了一般非对称光学系统的衍射积分公式.在此基础上,借助光束复曲率张量的概念,给出非对称光学系统的张量形式ABCD定律.最后给出简单的应用例子.     

高准确度光学系统中材料非均匀性对成像质量的影响

利用Zernike多项式对用Zygo干涉仪测得的离散材料折射率数据进行了拟合,再使用光线光学的方法评价了系统的成像质量.由于材料折射率分布的无规则性,在对包含非均匀介质的实际光学系统的模拟仿真和优化时,需要考虑选取材料不同部位加工成的透镜会对系统成像质量有不同的影响,而且加工好的透镜在装配过程中,绕着光轴旋转不同的角度同样会影响成像质量.通过计算机模拟的方法预先选取材料的最佳部位以及找到最好的装配位置,从而提高了光学系统的性能.     

高准确度光学系统中材料非均匀性对成像质量的影响

利用Zernike多项式对用Zygo干涉仪测得的离散材料折射率数据进行了拟合,再使用光线光学的方法评价了系统的成像质量. 由于材料折射率分布的无规则性,在对包含非均匀介质的实际光学系统的模拟仿真和优化时,需要考虑选取材料不同部位加工成的透镜会对系统成像质量有不同的影响,而且加工好的透镜在装配过程中,绕着光轴旋转不同的角度同样会影响成像质量. 通过计算机模拟的方法预先选取材料的最佳部位以及找到最好的装配位置,从而提高了光学系统的性能.     

气动光学头罩热辐射效应数值仿真研究

气动热环境下高速飞行器的光学头罩由于受气动热效应作用,其温度急剧升高,产生严重的气动热辐射效应。为评估气动热环境下高速飞行器光学头罩热辐射对探测系统性能的影响,采用有限光线代表连续辐射的方法,并引入热瞳概念建立了气动光学头罩热辐射传输计算模型并对气动光学头罩自身干扰辐射光线在光学系统内的传输进行了数值仿真,考察了光学头罩温度场为非均匀分布时其自身干扰辐射在探测器接收面的辐照度分布。研究结果表明:由头罩顶点求得的热瞳是光学头罩热辐射能的公共入口,它可将光线追迹的时间减小至追迹全部光线所需时间的十几分之一;根据探测器接受面干扰辐射随时间的变化趋势可知在飞行数秒后头罩干扰辐射将淹没目标信号,气动光学头罩热辐射效应不容忽视。     

基于深度学习的透射式光学系统初始结构设计

针对传统透射式光学系统初始结构优化设计效率低、结构选取过度依赖经验等问题,提出了一种基于深度学习的透射式光学系统初始结构自动优化设计方法。通过监督训练学习公开光学镜头库中参考镜头的结构特征数据,构建基于光线追迹的无监督训练模型,提升深度神经网络(DNN)模型的泛化能力。通过训练生成的网络模型输出包含真实玻璃的光学系统的结构参数,从而实现透射式光学系统初始结构的自动优化设计。设计结果表明：利用该网络模型优化设计的光学系统初始结构在全视场、全谱段下的像面点斑半径与参考镜头接近,并且能够根据不同焦距要求分别设计出光学系统初始结构;所设计的1×10⁶组初始结构的成功率优于96.403%,表明所提网络模型具有良好的泛化能力。     

制冷型红外光学系统温栏杂散辐射分析及消除方法

在致冷型红外光学系统中加入温栏会引入杂散辐射。杂散辐射包括温栏自身的辐射及对外部热光的反射。这两种辐射进入探测器后,会降低系统的信噪比和动态范围,影响成像质量。基于辐射及传热理论,提出温栏杂散辐射所引起噪声等效温差的计算模型,并研究了消除温栏杂散辐射的方法。用LIGHT TOOLS进行了光线追迹,对比分析了传统平面环状温栏和球面反射镜型温栏的杂散辐射,验证了理论推导的正确性和消除方法的可行性。结果表明,采用半径为30.3 mm的高反射率球型温栏代替原设计中的粗糙平面型温栏,控制其曲率半径和位置,可使由温栏引入的杂散辐射降低99%以上。     

三反射式柱面光学系统设计及优化

针对传统单片柱透镜和柱面反射镜成像光束不理想以及视场通常小于1°,提出并设计了一种三反射式柱面结构.对柱面光线追迹及单片柱面镜成像进行了深入分析,分别设计了三反射式圆柱面和二次曲线柱面系统,提出了一种基于抛物柱面镜理想线聚焦的新型像差优化方法,使其在子午面方向各视场调制传递函数得到最佳优化,并达到成像光谱仪等在狭缝方向卜高空间分辨率要求.其子午面总视场均达到了3°,在45 lp/mm分辨率条件下,边缘视场子午面方向的调制传递函数分别优于0.2和0.6.     

GRIN光学中光线追迹的一种新方法

由哈密顿光学中的拉格朗日方程推出光线方程，用Runge—Kutta方法求解光线方程，给出光线追迹的新方法。     

基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计

关节镜是一种用于观察关节内部结构、诊治关节疾患的内窥镜。利用梯度折射率透镜质量轻、体积小、像质好的优点,运用Zemax软件设计了一款结构简单的关节镜光学系统,可用于1/10＂CCD关节内窥镜成像。系统具有60视场角,F数为6, 工作距离从～5 mm,各视场的调制传递函数(MTF)在125 lp/mm时达到0.2以上,分辨率达到4 m,且各组态点列图均小于艾里斑半径。光学结构总长204 mm,最大镜头口径小于4.6 mm,根据关节镜的使用特点,系统满足使用要求。     

Temperature dependence of the refractive index of optical fibers

Many experimental investigations on the temperature dependence of the refractive index of optical fibers have been reported previously, however a satisfying theoretical explanation for it is still absent. In this paper, a theoretical model about the temperature dependence of the refractive index of optical fibers is presented and it is in agreement with the previous experimental results. This work is a significant reference for the research and development of temperature sensors based on optical fiber delay lines.     

PECVD制备光学薄膜材料折射率控制技术

渐变折射率光学薄膜用途广泛,PECVD技术在制备渐变折射率光学薄膜方面具有独特的优点。通过控制不同反应气体配比变化,分析了反应气体配比变化与所制备的薄膜折射率、消光系数和沉积速率之间的关系,讨论了薄膜折射率、消光系数和沉积速率变化的原因,研制了折射率可控的氟氧化硅(SiOxFy)、氮氧化硅(SiOxNy)、氮化硅(SixNy)等薄膜材料,获取了折射率在1.33~2.06之间的光学薄膜材料。     

温度对气体折射率的非线性影响

对测量群折射率的迈克耳孙白光干涉技术进行了改进,采用光栅线位移传感器提高反射扫描镜的位移精度. 实验确定了空气折射率对温度的非线性曲线拟合方程,其拟合因子的精度达到10-5℃-1.     

光纤折射率剖面的折射近场法测量的研究

本文叙述了折射近场法(简称RNF)测量光纤折射率剖面的基本原理及实验方法.提供了对单模光纤和多模光纤的测量结果,并与反射法、近场法进行了比较.实验中获得空间分辨率优于0.8μm,折射率灵敏度优于2×10~(-4).     

玻璃基板中热光效应折射率分布的研究和测定

几乎所有的光学材料都具有热致折射率变化的特性,当光束经过局域热源作用下折射率呈梯度分布的介质时会发生偏向,利用这种特性可做成各种热光器件.本文在玻璃基板表面上制备了条形Ti薄膜热源,通过测定出射光束的偏向角,利用解折方法,得出基极截面的折射率分布.根据能量守恒,得到该材料的折射率温度系数,与公布值比较,验证了本方法的正确性.本文对研究和分析热光材料和器件提供了一种有益的方法.     

基于少模-无芯-少模光纤结构的高灵敏度折射率传感器

光纤折射率传感器广泛应用于各种复杂环境的监测。设计了一种基于少模光纤（fewmode fiber,FMF）–无芯光纤（coreless fiber,CLF）–FMF结构的高灵敏度折射率传感器。该传感器由2小段FMF之间熔接1段减薄的CLF组成马赫-增德尔干涉仪（Mach–Zehnder interference,MZI）,测量外界折射率,利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating,FBG）进行温度补偿。MZI干涉光谱中的谐振波谷同时受折射率和温度影响,FBG只受温度的影响。利用MZI和FBG的折射率和温度灵敏度系数构建灵敏度矩阵,实现折射率和温度的同步测量。实验结果表明,MZI折射率灵敏度为345.66 nm/RIU,温度灵敏度为0.013 4 nm/℃;FBG的温度灵敏度为0.010 4 nm/℃。     

折射率与电声子相互作用的关系

从微观出发研究电声子相互作用对折射率的影响。用半经典方法导出一个适用于晶态和无序度小的介质折射率公式和折射率温度系数公式。首次指出电声子相互作用引起的折射率温度系数,高温时为一常数,低温时与T~3成正比。并与实验作了对比,理论曲线与实验符合得很好。用得到的公式计算了好几种材料的温度系数。计算值与实验值相符合。     

快速响应的光致折射率改变效应的实验研究

在LiNbO₃∶Fe晶体薄片中观察到快速响应（<0.1s）、各向同性、并具有信息存储功能的一种光致折射率改变效应.基于它的特征及其与光折变效应的区别，初步讨论了产生该效应的物理机理. 关键词： 光致折射率改变效应 光折变效应 热释电效应     

具有温度自校准功能的光纤折射率传感器

提出一种具有温度自校准功能的光纤折射率（RI）传感器,传感头结构由2段很短的多模光纤（MMF）之间夹熔一段对折射率不敏感的光纤布拉格光栅（FBG）构成,传感头总长度为14 mm,FBG可以为折射率测量提供良好的温度校准功能。实验结果证明,该传感器的折射率灵敏度为126 nm。其干涉光谱共振波长的温度灵敏度为35.09 pm/℃,用于温度校准的FBG的温度灵敏度为11.14 pm/℃。相比于普通的折射率传感器,这种具有温度自校准功能的折射率传感器具有良好的实用前景。