采用非线性相位拟合法设计长焦深透镜

针对惯性约束聚变(ICF)激光等离子体诊断系统应用的需求,提出一种采用非线性相位拟合法设计单透镜代替理想对数轴锥镜的方法。对所要得到的球面透镜与理想对数轴锥镜的相位进行拟合,求解得出所需要的球面透镜参量。设计了用于激光等离子体诊断系统的长焦深透镜,并对透镜的焦深、轴向光场均匀性、横向均匀性、焦斑旁瓣等指标进行分析。数值分析结果表明,长焦深透镜具有与理想对数轴锥镜相同的相位分布,焦深、轴向光场均匀性、横向均匀性、焦斑旁瓣均符合设计要求,验证了非线性相位拟合法的正确性。     

平顶飞秒激光经圆锥透镜在熔融石英中成丝及超连续辐射

实验研究了平顶飞秒激光经圆锥透镜后在熔融石英中的成丝及超连续辐射.与高斯飞秒激光的成丝对比发现,平顶飞秒激光可以获得在圆锥透镜焦深区域内强度分布更为均匀的等离子体细丝,这一特征更有利于飞秒激光在固体介质中进行微纳加工等领域的应用.并且,在不损伤熔融石英的条件下,平顶飞秒激光成丝可以获得更高能量、更高转换效率的超连续辐射,这是因为若产生光强相近的细丝,平顶飞秒激光所需的初始激光能量更高,此激光能量下产生的细丝长度更长、均匀性更好.     

三环位相型光瞳滤波器的横向超分辨与轴向焦深扩展

用矢量衍射方法分析了线偏振光入射到带有三环位相型光瞳滤波器的高数值孔径物镜时,焦点的轴向和横向光强分布.数值模拟结果表明,高数值孔径物镜聚焦时需同时考虑光强的轴向和横向分布.通过加入三环位相光瞳滤波器,在实现横向超分辨的同时实现了光学系统轴向焦深扩展和轴向光强分布平坦化,并且位相调制深度变化时,会出现轴向焦移现象.对三环位相光瞳滤波器结构进行了优化,得出了优化结果. 关键词： 光学超分辨 扩展焦深 位相型光瞳滤波器 矢量衍射方法     

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.     

圆锥透镜对偏轴球面波光束的衍射模式

球面波入射圆锥透镜产生的出射光束中心光斑直径较小且焦深长，适合通讯领域长距离测量和准直。针对实际操作中球面波光束入射时很可能与圆锥透镜的中心轴线发生偏移或倾斜，使衍射光场发生变化，着重研究圆锥透镜对偏轴球面波光束的衍射模式，并通过衍射理论和稳相法分析，研究其径向衍射光场的分布特性。使用半径为15mm，底角为1°的圆锥透镜进行计算机仿真和实验，最后将实验结果与理论分析和仿真结果相比较，证明球面波的曲率半径和出射光束的传输距离越小，偏轴对衍射模式的影响越小。该研究结果表明：在激光通讯等长距离通信中，使用曲率半径小的球面波光束代替平面波入射圆锥透镜，不仅可以扩展焦深，还可以降低偏轴对测量的影响。     

Kinoform单透镜的硬X射线聚焦性能

Kinoform单透镜可以高效聚焦硬X射线至纳米量级, 在X射线纳米显微学和纳米光谱学领域有着重要的应用前景. 基于衍射光学和傅里叶光学理论, 给出了X射线经由Kinoform单透镜聚焦的物理模型, 基于数值模拟, 研究了不同材料、光子能量、台阶数量和顶点曲率半径对Kinoform单透镜聚焦性能的影响. 结果表明, 孔径为1 mm的Kinoform单透镜对30 keV的X射线聚焦, 可以得到14 nm焦斑、62 μm焦深, 且可实现4个量级的光强增益和大于30%的光强透过率.     

高功率叠阵二极管激光器光束整形

采用光线追迹法详细分析线阵二极管激光器经微球面柱透镜快轴准直后的光强变化情况,利用快轴准直微球面柱透镜的球差可调整输出激光光强分布的特性,得出了快轴准直输出发散角约5°时光强分布具有较好的平顶形式。根据叠阵二极管激光器输出光的特点,设计了由25个二极管激光器组成的叠阵二极管激光器的光束整形输出系统,该系统由快轴准直微透镜、快轴耦合透镜和慢轴耦合透镜组成,把需要泵浦的激光介质薄片设计在快轴耦合透镜的焦点上,并且在慢轴耦合透镜的成像面附近,得到了7mm×8mm的泵浦光斑,光强不均匀性约10%,输出效率达到85%。     

半导体激光器远轴光束的准直特性研究

对半导体激光器光束准直场的研究具有重要的意义,半导体激光器的远轴模型能精确描述其发出的光束。根据瑞利索末菲衍射公式,利用稳相法得出了半导体激光器远轴光束经过透镜准直后的场分布解析表达式。根据该表达式可以得出如下结论:准直后光束在两个方向上的光斑大小与透镜焦距成正比,且与传输距离无关,沿轴光强与波导尺寸参量和准直透镜焦距有关,且与透镜焦距成平方反比关系,在传输距离较短的情况下,准直光场相位分布近似为球面,传输距离较长时,光场相位近似为平面.这些结论在工程应用中具有重要的价值。     

圆锥透镜对倾斜球面波光束的衍射模式

由于球面波入射圆锥透镜所产生的出射光束具有焦深长和中心光斑直径较小的特点,适合激光通信以及长距离测量.在实际使用中,入射球面波很可能与圆锥透镜的光轴发生倾斜.研究了圆锥透镜对倾斜球面波光束的衍射特性,通过基尔霍夫衍射理论以及稳相法分析,分析了其径向衍射光场分布形式,并用计算机进行了仿真.使用了半径为15 mm、底角为1°的圆锥透镜进行实验,并对仿真结果进行了验证.仿真和实验证明,减小入射球面波曲率半径、出射光束传输距离和入射光束倾斜角都可以减弱入射光束倾斜对衍射图的影响.     

实现LED照明的自由曲面透镜设计

为在特定平面上实现所需照明,从而满足各类LED照明系统的要求,通过透镜的第一面球面和第二面自由曲面的两次折射实现LED的配光设计.根据给出的LED辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,并预先定义透镜球面的结构参量,可得到一组一阶偏微分方程,数值差分求解直接求得透镜的自由曲面.光源采用发光面积1×1 mm2朗伯体发光的LED,视角180°,由自由曲面透镜得到的各种形状照明面的模拟均匀性皆接近90%,且能量利用率高于98%,编程解一阶偏微分方程组的计算时间少于20 s.     

基于纹影法的聚焦超声声场重建算法研究

为了从聚焦超声声场纹影图像直接重建声场声压分布图像,首先根据水中声波与光波的作用规律,利用Zernike相衬技术得到纹影系统中空间声压分布与纹影图像中光强的关系,再通过纹影系统获得聚焦超声声场实时图像,最后根据纹影系统的物理特性经过反投影重建算法重建出凹球壳聚焦超声换能器的空间声压分布。分析可知,理论声焦域横向与声轴大小分别为0.15 mm、1.4 mm,重建声场电功率为12 W时横向最接近为0.25 mm,30 W时声轴最接近为1.35 mm。与球壳换能器的理论声压分布进行对比的结果表明,该方法具有一定可行性,可以用于聚焦超声换能器的声场分布检测。     

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.     

Diffractive Multifocal Focusing of Gaussian Beams

The problem of diffraction of a spherical wave with Gaussian amplitude distribution on two infinitesimally thin and ideally reflecting screens with apertures on an optical axis is solved within the quasi-optical approximation. It is shown that when a Gaussian beam illuminates a bicomponent diffraction system with small Fresnel numbers in a near zone of the second screen, the effect of diffractive multifocal focusing of radiation is observed. In this case, the diffraction picture from the second screen in the focal planes represents the circular nonlocal bands of the Fresnel zones with a bright narrow peak at the center, whose intensity can exceed by six times the value of the incident wave intensity. The energy efficiency of diffractive focusing of Gaussian beams by the bicomponent diffraction system can be as high as 70%. The proposed diffractive method allows the focusing of the wide-aperture beams without using classical refraction elements such as lenses and prisms, and it is applicable to both low-intensive and high-power radiation.     

透镜初级球差的横向剪切干涉条纹研究

利用玻璃平行平板构成简单的横向剪切干涉仪可以观察到单薄透镜形成的准直光束的剪切干涉条纹,由干涉条纹分布求出对应的几何像差和离焦量.用焦距为190 mm的单薄透镜做实验,实验结果与计算机模拟结果符合,说明可以从剪切干涉条纹的分布求出透镜的轴向调整误差和初级球差.     

Diffractive Multifocal Focusing of Gaussian Beams

The problem of diffraction of a spherical wave with Gaussian amplitude distribution on two infinitesimally thin and ideally reflecting screens with apertures on an optical axis is solved within the quasi-optical approximation. It is shown that when a Gaussian beam illuminates a bicomponent diffraction system with small Fresnel numbers in a near zone of the second screen, the effect of diffractive multifocal focusing of radiation is observed. In this case, the diffraction picture from the second screen in the focal planes represents the circular nonlocal bands of the Fresnel zones with a bright narrow peak at the center, whose intensity can exceed by six times the value of the incident wave intensity. The energy efficiency of diffractive focusing of Gaussian beams by the bicomponent diffraction system can be as high as 70%. The proposed diffractive method allows the focusing of the wide-aperture beams without using classical refraction elements such as lenses and prisms, and it is applicable to both low-intensive and high-power radiation.     

Diffractive Focusing of a Gaussian Beam

The problem of diffraction of a spherical wave with Gaussian amplitude distribution on two infinitesimally thin and ideally reflecting screens with apertures on an optical axis is solved within the framework of the quasi-optical approximation. It is shown theoretically and experimentally that when a Gaussian beam illuminates such a type of bicomponent diffraction system with small Fresnel numbers in a near zone of the second screen, the effect of diffractive multifocal focusing of radiation is observed. In this case, the diffraction picture from the second screen in the focal planes represents the circular nonlocal bands of the Fresnel zones with a bright narrow peak at the center, whose intensity can exceed by six times the value of the incident wave intensity. The energy efficiency of diffractive focusing of Gaussian beams by the bicomponent diffraction system can be as high as 70%. The diffractive method proposed allows the focusing of wide-aperture beams without using classical refraction elements such as lenses and prisms, and it is applicable to both low-intensity and high-power radiation.     

超短脉冲经过小数值口径透镜的聚焦特性

 从亥姆霍兹方程出发，考虑透镜的色差和球差，得到了超短脉冲经过小数值口径透镜后光场的解析表达式；利用数值模拟得到了旁轴焦平面和边缘焦平面上光场强度的时空分布，以及聚焦区域内轴上点的强度分布图，并分析了色差和球差的大小对它们的影响。由于通过透镜中心和边缘之间的大部分脉冲产生了干涉相消，因此在旁轴焦平面与边缘焦平面上都出现前、后两个峰值相差很大的脉冲，并且随着球差的增大，两峰值差更大了；聚焦区域内轴上点的强度分布基本是对称的，强度最大点不是出现在旁轴和边缘焦平面上，而是在它们之间的某个位置，并且随着球差的增加，该位置将向聚焦区域的边缘靠近。     

产生多个高光强梯度局域空心光束的理论与实验

在实验中用贝塞尔光束与球面波叠加得到多个具有高强度梯度的局域空心光束(BB)。用衍射理论分析了贝塞尔光束与球面波叠加的光场,借助软件对两光场相干叠加的光强分布进行了模拟,结果表明在球面波的焦点附近能够形成多个高强度梯度的BB。实验中贝塞尔光束和球面波分别用轴棱锥和透镜对平行光聚焦获得,使两光场在同一传播轴上相干叠加,在球面波焦点附近观察到多个BB。通过对比可知,贝塞尔光束与球面波叠加所得BB比用两束贝塞尔光束干涉产生的BB在暗域处具有更大的光强梯度,更有利于稳定的粒子囚禁。