小入射角条件下气动光学成像偏移

针对超声速飞行器在大气中飞行时由于气动光学效应产生的成像偏移,推导了光线偏折角和流场折射率梯度之间的关系,给出了小入射角情况下,离散折射率场光线偏折角的一种计算方法;利用不同流场的计算流体力学数据计算出对应的折射率场;使用光线追迹法得到光线通过不同流场后的偏折角和传播路径上的折射率梯度分布。仿真结果表明,新的偏折角计算方法所得结果在入射角小于30°时与Runge-Kutta和Snell光线追迹法具有很好的一致性;同一高度下小入射角时,光线的偏折角并不随着飞行速度的增加而增加,而是基本保持稳定;光线通过流场的偏折是正负折射率梯度区域共同作用的结果,负的折射率梯度区域可以减少光线偏折,起到部分"校正"作用。     

结合计算层析与光学相干层析测量折射率分布

通过将计算层析技术与光学相干层析技术相结合,测量散射介质非均匀折射率分布。该方法测量散射样品折射率分布时,通过光学相干层析技术测量散射样品折射率分布在多个方向上的投影,采用计算层析技术实现对样品折射率分布的层析重建,克服了传统折射率光学测量方法如单纯的基于光学相干层析原理的焦点追迹法和光程匹配法,不能测量散射介质非均匀折射率分布的缺点。采用该方法在实验中对梯度折射率棒的径向相对折射率分布进行层析重建,取得了较好的实验结果。     

热压载荷作用下气体检测光学窗口对激光传输影响

采用有限元方法研究了不同热压载荷作用下多组分气体原位激光检测系统的光学窗口变形分布情况,并根据热光效应计算得到光学窗口折射率分布。采用光线追迹法对比分析了氮气吹扫前后光学窗口折射率变化及变形对到达接收面的通光量和辐照度分布影响规律。此外,基于高温光学窗口激光透射测试平台开展了高温光学窗口对检测信号影响研究。结果表明:高温高压环境会使光学窗口折射率变化幅度增大及变形加剧,导致激光光路偏折引起透射光强损耗和探测信号条纹干涉;氮气吹扫可以有效改善激光传输条件,增加到达接收面的通光量,优化辐照分布,提高激光传输质量。     

任意折射率的三维离散空间光线追迹方法研究

介绍了Runge-Kutta光线追迹方法,并以此作为任意折射率介质中光线追迹基本手段;针对具有折射率任意分布性质并且离散的三维流场空间,建立了流场空间任意点的折射率和折射率梯度计算方法;在追迹过程中,提出了追迹步长根据当地折射率梯度和网格几何尺寸自适应调节的思想和方法,用于提高追迹的精度和效率。结果表明,建立的光线追迹方法适用于三维离散空间折射率任意分布的光线追迹,具有较高的精度和效率。     

高超声速湍流流场高折射率梯度区域气动光学畸变仿真研究

基于折射率界面厚度的描述建立了一种高折射率梯度门限的数学模型,在此梯度门限下,研究了高超声速流场中高折射率梯度区域的气动光学传输效应.提出了一种用折射率梯度的调和平均值描述高折射率梯度门限的方法.采用高超声速流场的计算流体力学结果作为分析折射率梯度和进行气动光学传输仿真的源数据,忽略绝对值低于该门限的梯度值重构折射率场,并采用变折射率介质中光线追迹算法仿真其气动光学传输畸变.不同流场状况、不同位置截面的仿真结果表明,采用本门限,重构折射率场和原折射率场的相关性达0.9以上,仿真光程差均方根的相对误差不超过±5%,验证了该高折射率梯度门限模型的有效性和适用性,同时从数值角度证实了高超声速湍流流场中高折射率梯度区域是气动光学传输畸变的主要成因.     

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。     

光致热效应的光机热集成分析方法

在光机热集成分析过程中,引入非序列光线追迹,分析复杂光源条件下光学系统内光致热效应,利用有限元分析方法求解光学元件温度场分布及表面面型变化,构建基于Zernike多项式的基底函数对梯度折射率场进行精确拟合,进而分析得到系统的光学性能。拟合过程中通过使用对Zernike多项式赋权值的方法避免了结果的非对称性。最后以大功率激光准直扩束镜为例,进行了系统的光机热集成分析,并给出分析结果,说明了该分析方法的有效性与通用性。     

基于体标定追迹法的光场PIV权系数计算方法

针对光场粒子图像测速(PIV)技术中介质折射率变化及镜头畸变等因素而导致权系数计算误差较大的问题,提出一种基于体标定追迹技术的光场PIV权系数计算方法.该方法首先通过体标定方法建立空间物点与微透镜之间的映射关系,然后利用光线追迹技术计算控制体内的离散体素对像素的权系数,最后将该方法计算的权系数与直接追迹法计算的结果进行比较,并对标定板特征点的空间位置进行重建实验研究.实验结果表明,体标定追迹法计算出的权系数与直接追迹法的计算结果高度吻合;重建获得的标定板特征点在横向和深度方向上的位置误差分别小于0.002 mm和0.250 mm.     

LYB晶体主轴折射率测量与评价

采用自准直法测量了在30℃~170℃范围内,0.473 μm、0.632 8 μm、1.064 0 μm、1.338 μm等波长下LYB晶体的主轴折射率,得到Sellmeier方程并计算了1.319 μm下该晶体的主轴折射率,与实验测量的结果进行了比较,两者之间的吻合性较好.测量结果表明,该晶体具有较低的折射率以及折射率随温度变化小,热稳定性较好.     

测量液体折射率的一种新方法——液芯柱透镜散焦宽度法

本文提出了一种基于消球差复合液芯柱透镜快速、准确测量液体折射率的新方法——液芯柱透镜散焦宽度法.该方法利用消球差复合液芯柱透镜在较宽折射率范围内系统球差小、成像准确的特点,基于不同折射率在成像系统上呈现一一对应的散焦图像,仅需采集一幅散焦图像即可得到待测液体的折射率.用该方法测量了室温(20℃)下21组不同液体的折射率,测量结果与用阿贝折射仪测量结果一致,用ZEMAX和光线追迹逐面成像法仿真的散焦宽度图像与实验图像一致.用该方法测量液体折射率具有系统简单、稳定性好、操作简便、测量速度快等特点.     

Enhanced Coupling of Light from Organic Electroluminescent Device Using Diffusive Particle Dispersed High Refractive Index Resin Substrate

To improve light extraction from organic electroluminescent (EL) devices, we introduced a diffusive substrate with 25 μm thickness consisting of high refractive index resin and scattering particles. It is expected that the diffusive substrate with high refractive index matrix converts the waveguided emission into external emission from both glass substrate and indium-tin-oxide/organic layer. We used the ray tracing method to optimize the scattering effect and to verify the coupling out effect of the diffusive high refractive index substrate. With the use of the ray tracing calculation, an increase in the external emission up to a factor of 2.7 was expected compared to use of a common glass substrate. Experimentally, the coupling out effect of the diffusive high refractive index substrate strongly depended on the thickness of electron transporting layer (ETL) due to the well-known interference effect. The current efficiency increased by a factor of 1.3 for an organic EL device with a 60-nm-thick ETL and by a factor of 6.8 for one with a 120-nm-thick ETL.     

Determination of the refractive index profile of polymer optical fiber preform by the transverse ray tracing method

In graded-index polymer optical fiber (GI-POF), the refractive index profile is an important parameter in defining its bandwidth. However, direct determination of the refractive index profile of GI-POF is difficult due to its extreme thinness. In this study, the refractive index distribution of the GI-POF is indirectly determined by measuring the refractive index distribution of the GI-POF perform by applying the transverse ray tracing method to a simplified measurement system that we developed.In this system, a parallel tabular ray is irradiated transversely to a GI-POF preform. The transverse ray from the preform is then projected on a screen, and its digital image is processed to calculate the refractive index distribution. The calculation is based on a transverse ray simulation, a computer program that we developed in which the refractive index distribution of the preform is determined by comparing the displacement of the transverse ray projected on the screen with the actual measurement.The accuracy of this new measurement method is validated by comparing the refractive index distribution of a GI-POF preform with the refractive index distribution measured by the conventional method using an interferometer. We find that the refractive index distribution measured by this novel method agrees well with that measured by the conventional method.     

Discrete curved ray-tracing method for radiative transfer in an absorbing-emitting semitransparent slab with variable spatial refractive index

A discrete curved ray-tracing method is developed to analyze the radiative transfer in one-dimensional absorbing-emitting semitransparent slab with variable spatial refractive index. The curved ray trajectory is locally treated as straight line and the complicated and time-consuming computation of ray trajectory is cut down. A problem of radiative equilibrium with linear variable spatial refractive index is taken as an example to examine the accuracy of the proposed method. The temperature distributions are determined by the proposed method and compared with the data in references, which are obtained by other different methods. The results show that the discrete curved ray-tracing method has a good accuracy in solving the radiative transfer in one-dimensional semitransparent slab with variable spatial refractive index.     

CFETR低杂波电流驱动数值模拟研究

利用射线追踪和福克-普朗克方程,研究了CFETR上驱动电流和功率沉积对低杂波注入位置和耦合波谱的依赖关系,讨论了边界非线性效应对电流驱动与功率沉积的影响,给出了低杂波平行折射率和低杂波注入位置的一个优化值。初步数值计算表明：边界非线性效应会导致驱动电流降低;不考虑低杂波非线性效应时,驱动电流的差异约为6%左右,小于考虑该效应时的差异(~25%)。     

少模光纤布拉格光栅折射率传感的分析与测量

理论分析和模拟计算了少模光纤布拉格光栅基模及高阶模的耦合与传输特性,得到在相同外部折射率变化情况下,少模光纤基模与高阶模耦合对应的布拉格波长变化,比正、反向基模之间耦合对应的布拉格波长变化显著增大.实验上制作了少模光纤布拉格光栅,测量了基模之间以及基模与高阶模之间对应的布拉格波长随外部折射率、温度变化的情况,得到与理论分析相符的结果.而对于温度变化对折射率测量结果干扰的问题,提出了通过计算布拉格波长差来克服温度影响的方法.这些结果为采用布拉格光纤光栅测量外部折射率变化提供了一种新的途径.     

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。     

气动热环境下高速飞行器光学头罩特性分析

建立高速飞行器红外光学头罩在气动热环境下有限元分析模型,分析头罩在气动热环境下的物理特性和光学特性,对头罩在气动热环境下的温度场、应力场、应变场和位移场进行数值计算。计算结果表明头罩在气动热环境下温度场分布不均匀,因此头罩会产生热应力而发生形变。利用有限元分析结果,根据热光效应和弹光效应理论,对气动热环境下红外光学头罩的折射率场进行数值计算。以头罩外表面中心点折射率为例,在头罩工作时间内,通过计算得到头罩15s后由热光效应造成的折射率改变为0.011,而由弹光效应造成的x方向折射率改变为0.000107,即弹光效应造成的折射率改变量约为热光效应造成折射率改变量的0.97%,由此可知,在气动热环境下热光效应对头罩折射率的影响比较大,而弹光效应对头罩折射率的影响比较小。     

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/℃。     

含左手材料异质结构光子晶体的零平均折射率带隙的展宽

运用光学传输矩阵理论,研究了含左手材料一维二元光子晶体的禁带特性.提出了含左手材料的光子晶体异质结构中零平均折射率带隙展宽的方法.根据此方法设计的异质结构的光子晶体形成的零平均折射率带隙,与一维光子晶体零平均折射率带隙相比,零平均折射率带隙的宽度和相对带隙宽度可以得到显著的拓宽.而且它的零平均折射率带隙的边缘与TM波和TE波相关.这种特性在微型谐振腔、天线基片、同轴波导等方面都具有潜在的应用.