圆环形聚焦声场的构建与调控

提出了一种由径向振动模式的圆环形压电换能器晶片组成的圆柱形阵列换能器结构, 依据阵元激励信号的相位调控机理, 推导了圆环形聚焦声场的调控公式, 在三维空间中构建了圆环形聚焦声场, 实现了对其聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及轴向位置移动的调控. 理论分析和仿真研究表明, 所提出的圆柱形阵列换能器实现了对圆环形聚焦声场的调控. 为检测超声、功率超声、医学超声等应用领域提供了一种可实现的新型圆环形可调控聚焦声场.     

铝基银纳米阵列制备及其紫外-可见-近红外光吸收特性

基于阳极氧化铝模板,采用真空蒸镀技术,制备了高度有序的周期性银纳米球阵列.阵列几何结构参数调控实验发现,通过控制蒸镀厚度,可实现对阵列中银纳米球尺寸(直径)和间距的有效调控,进而有效实现对紫外-可见-近红外各波段吸收峰位和峰宽的调制.吸收光谱测试显示,该纳米阵列在紫外、可见和近红外波段都具有明显的电磁波吸收特性.时域有限差分理论模拟结合实验分析不同波段光吸收特性的物理机制,紫外超窄强吸收为银、铝介电环境非对称诱发的法诺共振,可见波段吸收源自于银纳米粒子局域表面等离子体共振,近红外波段强吸收为银纳米球阵列表面晶格共振所激发.     

基于光楔阵列产生光学涡旋阵列的研究

在研究光楔衍射法产生单涡旋的基础上,基于长条形光楔阵列,提出了利用光束阵列衍射产生涡旋阵列的方法.该方法要求光束阵列在平行于光楔边缘方向上的光束间距等于光束直径的整数倍.利用超精密机床采用一体化加工法加工了光楔阵列元件,验证了该方法的可行性.利用空间光调制器快速灵活调整光束阵列的优点,搭建了借助空间光调制器加载达曼光栅衍射产生所需光束阵列的实验光学系统.针对光束阵列与光楔阵列的匹配问题,研究了达曼光栅掩模图基本单元对光束阵列的调控,获得了可调结构的光束阵列.实验产生了拓扑荷一致的光学涡旋阵列,与仿真结果相一致,证明所提方法的有效性.     

基于重叠栅工艺的硅量子点阵列的制备与调控

利用半导体量子点阵列结构实现近邻耦合是规模化扩展自旋量子比特的主要方案之一.随着量子点数目的增加,量子点阵列器件的制作工艺及参数调控均愈加复杂.本文介绍了一种重叠栅工艺结构,利用多层相互重叠且具有不同功能的栅极定义量子点,制作出结构紧凑、调控性好的量子点阵列器件,解决了工艺扩展的难题.此外,本文发展了一套高效可靠的调控方法,按顺序逐个添加量子点并建立虚拟电极,实现了对量子点参数的独立控制,并且能够高效且独立地调控各量子点中的电子数目,克服了大规模量子点阵列中电压参数配置的困难.这些方法为未来实现大规模自旋比特阵列提供了一种标准化的方案.     

一种旋转移相式高功率微波反射阵列天线

利用旋转移相技术的几何相位调控方法,提出一种基于传输相位差概念的波束扫描高功率微波反射阵列天线。电磁仿真结果表明,所设计的三叉戟形反射阵列天线单元工作于9.5～10.5 GHz,在0～40°入射角度下具有360°范围内的线性相位调控能力,真空条件下的功率容量达到1.11 GW。采用该单元设计了半径为200 mm的圆形口径反射阵列天线,并使用全波仿真软件进行验证,利用口径相位分布的可重构特性,所设计的反射阵列天线可以实现±40°范围内的波束扫描。在10 GHz时,波束扫描过程中的增益下降小于1.7 dB,最大增益达到31.1 dBi,对应口径效率为73.42%,最低口径效率超过50%,副瓣电平和轴比始终低于-18.7 dB和1.6 dB。     

基于空间结构内部锁相的光纤激光相干合成技术

介绍了本课题组近年来在基于空间结构内部锁相的光纤激光相干合成方面的研究工作,给出了空间结构内部锁相相干合成的基本原理,搭建了七路低功率光纤激光阵列实验系统,结果表明在内部相位噪声校正基础之上,可以稳定补偿外部相位差进而实现激光阵列同相位输出,验证了内部锁相方法的可行性。进一步介绍了空间结构内部锁相技术在目标在回路相干合成、阵列光束光场调控等方面的拓展应用,通过实验论证了空间结构内部锁相技术能够有效提升目标在回路相干合成系统的相位控制带宽,并在远场有效生成轨道角动量光束阵列,其拓扑荷数可从-1到+1切换。     

紫外固化型聚合物水凝胶的周期图案形成及其调控

以聚乙二醇二丙烯酸酯型水凝胶（PEGDA）为基底,制备了长程有序的表面褶皱图形,研究了其形成机理以及调控方法。通过调控光交联加工参数,聚合物凝胶表面出现大面积的周期图形阵列,该阵列尺寸可以在101～103μm之间调控,整体图形面积可达mm至cm级。分析表明,褶皱图形的形成主要是由于水汽蒸发过程中PEGDA水凝胶膜表面弯曲与体积压缩之间的竞争作用。     

适用于强化液体相变换热的纳米结构的制备与调控

液体相变换热是高热流密度器件冷却的有效方式。本文提出了一种适用于强化液体相变换热的纳米结构的制备与调控方法。通过热溶液法生长出的氧化锌纳米线阵列结晶优良、物质纯净,并且可以通过不同的磁控溅射方式沉积种子层实现生长不同形貌的纳米线,进而改变表面的润湿性。多步生长的方法被用来调控纳米线阵列的尺寸,实现了对表面粗糙状况、核态沸腾核化点以及表面润湿性的进一步调控。本文同时利用氧化锌独特的光敏性质实现了从改变表面化学特性的角度调控表面润湿性。     

二维有序磁性Co纳米球阵列膜构筑及其光学性能研究

周期性纳米结构阵列因其独特的光学效应在新型传感技术领域具有巨大的应用潜力,引起人们极大的兴趣。其光学特性依赖于形貌和结构参数,一般可通过调整这些参数来调控其光学性能,而通过外加磁场调节其光学性能鲜有报道。通过气液自组装法制备胶体晶体模板,采用等离子体刻蚀技术实现了对胶体晶体模板结构尺寸的调控。在此基础上,结合磁控溅射技术合成了具有六角周期性排列的亚波长尺寸磁性Co纳米球阵列膜,并研究了其在结构参数和外磁场作用下的光学性质。通过紫外-可见-近红外光反射谱发现,随着刻蚀时间从0 min增加到4.5 min,在可见光波段,光反射峰波长从512 nm蓝移到430 nm,蓝移了82 nm,峰强从10.69%降低到7.96%,减弱了2.73%;在近红外光波段,光反射峰波长从1 929 nm蓝移到1 692 nm,蓝移了237 nm,峰强从10.92%降低到7.91%,减弱了3.01%。通过控制刻蚀的时间,可实现对Co纳米球阵列膜光反射峰峰位和峰强的有效调控。对未刻蚀和刻蚀的Co纳米球阵列膜施加一个垂直的外加磁场,在外磁场作用下,二者的光反射峰峰强均表现出不同程度的增强。随着外加磁场的逐增,未经刻蚀...     

基于四瓣高斯飞秒激光的多丝阵列产生与调控EI北大核心CSCD

基于亥姆霍兹波动方程和非线性传输波动方程,模拟了四瓣高斯飞秒激光在空气中线性传输和非线性传输的光强空间分布,以期获得规则的多丝阵列稳定传输。研究结果表明,当初始入射激光功率相对较强时,基于四瓣高斯飞秒激光光束可获得规则的多丝阵列产生。通过改变初始束腰半径和光束阶数,实现对光丝阵列间距的调控。光丝阵列间距大于背景能量池尺寸时,光丝阵列将稳定传输且间距保持不变;小于背景能量池尺寸时,多丝相互融合进而形成稳定的单丝。当初始入射激光功率相对较弱且大于自聚焦阈值功率时,将会出现多次自聚焦现象,最终形成稳定的单丝传输。该研究提供了一种产生二维规则飞秒激光光丝阵列的方法,将为基于飞秒激光多丝阵列的实际应用,如太赫兹波增强、空气激光增强、遥感探测、微波通道以及微粒捕获等,提供理论依据。     

采用液晶空间光调制器进行激光光束的空间整形

提出采用液晶空间光调制器进行激光束的实时,可调控光束空间整形的新方法,研究了液晶空间光调制器的光学调制特性,用液晶空间光调制器衬时产生的软边切趾光阑与空间滤波器结合,有效地对任意光束进行空间整形,获得光束填充因子高,近“平顶”光强的光束近场分布。     

Pixel size and pitch measurements of liquid crystal spatial light modulator by optical diffraction

We present a simple technique for the determination of pixel size and pitch of liquid crystal (LC) based spatial light modulator (SLM). The proposed method is based on optical diffraction from pixelated LC panel that has been modeled as a two-dimensional array of rectangular apertures. A novel yet simple, two-plane measurement technique is implemented to circumvent the difficulty in absolute distance measurement. Experimental results are presented for electrically addressed twisted nematic LC-SLM removed from the display projector.     

Diffractive characteristics of the liquid crystal spatial light modulator

The liquid crystal spatial light modulator (LC SLM) is very suitable for wavefront correction and optical testing and can produce a wavefront with large phase change and high accuracy. The LC SLM is composed of thousands of pixels and the pixel size and shape have effects on the diffractive characteristics of the LC SLM. This paper investigates the pixel effect on the phase of the wavefront with the scalar diffractive theory. The results show that the maximum optical path difference modulation is 41\,$\mu$m to produce the paraboloid wavefront with the peak to valley accuracy better than $\la$/10. Effects of the mismatch between the pixel and the period, and black matrix on the diffraction efficiency of the LC SLM are also analysed with the Fresnel phase lens model. The ability of the LC SLM is discussed for optical testing and wavefront correction based on the calculated results. It shows that the LC SLM can be used as a wavefront corrector and a compensator.     

Resolution improvement of surface plasmon-enhanced, liquid crystal spatial light modulator: Simulation studies

Spatial resolution is an important performance characteristic of spatial light modulators (SLM). One of the key factors affecting the spatial resolution of liquid crystal (LC)-based SLM is the fringing field effect. This effect can be reduced in thin LC cells with corresponding reduction in the electro-optical response. A strong electro-optic response in thin LC layer can be attained using the surface plasmon resonance (SPR) phenomenon. While SPR-based LC SLMs were already demonstrated about 15 years ago, their development has been hampered in part by low resolution, due to the finite propagation length of the surface plasmons (SPs). A fine patterning of the metal layer supporting the propagation of SPs is studied as a possible solution for reducing the spatial blurring associated with the long propagation length of SPs. The results of detailed computer simulations showing improved resolution SPR-LC-SLM are presented.     

平行排列液晶器件的波前调制特性

设计了一种新型的平行排列液晶相位调制器(LC PM),可在纯相位的模式下进行相位调制,研究了液晶相位调制器的光学特性,理论上给予了分析．对畸变波前进行了调制,在1 cm2的校正面积上,调制后的准确度PV(peak to valley)值接近λ／15(λ=0.6328 μm),RMS(Root Means Square)可达到λ／100,斯特列尔比SR (Strehl Ratio)达到0.989．改变了传统的扭曲向列液晶器件难于进行纯相位调制和得到高准确度调制的缺点,达到了理想的效果.     

Optical beam forming techniques for phased array antennas

Three optical beam forming techniques are identified as applicable to large spaceborne phased array antennas. They are 1) the fiber replacement of conventional RF phased array distribution and control components, 2) spatial beam forming, and 3) optical beam splitting techniques. Two novel optical beam forming approaches, i.e., the spatial beam forming with a smart pixel spatial light modulator (SLM) and the optical beam splitting approaches are conceived with integrated quasi-optical components. Also presented are the transmit and receive array architectures with the new SLM.     

液晶空间光调制器产生可调三光学势阱

提出了产生三光学势阱的新方案, 在该方案中用液晶空间光调制器制作相位型闪耀光栅, 单色相干光照明, 产生按等边三角形分布的三个光学势阱, 三个光阱光强大小分布相同, 调节空间光调制器的相位分布, 可以改变光阱的相对位置, 实现三光阱到单个光阱、两光阱合并为一个光阱等演变及其反向演变, 调节过程简单、方便. 根据现有空间光调制器性能和尺寸, 模拟设计光栅, 计算三光阱的光强分布和调控过程中光强的变化, 结果表明: 用一般功率的激光照明, 能够得到具有较大峰值光强和较高光强梯度的可调三光阱, 在原子和分子光学实验研究中有多种重要的应用. 关键词： 原子和分子光学 可调三光学势阱 空间光调制器     

多变视场的多焦点多光子激发荧光显微技术

发展了一种新型的多焦点多光子激发荧光显微技术,通过软件控制空间光调制器,在所需要的成像区域产生相应的激发光点阵,通过扫描入射角实现激发点阵快速并行扫描激发,通过CCD并行记录所产生的荧光信号,获得任意视场图像。分别实现了10×10和50×50点阵激发下的全视场双光子荧光图像,并且实现了同时多个区域寻址的多焦点激发成像。对比其他多焦点显微技术,该技术具有明显的灵活性,不但保持了多焦点激发的快速成像的优点,而且还增加了任意数量成像区域同时寻址和阵列点密度变化,所有这些变化只需要通过软件加载相应的相位图案给空间光调制器,而不需要任何硬件更改。     

基于混合光模式阵列的自由空间编码通信

光学涡旋的产生、传输与应用是当前光学领域的研究热点之一.光学涡旋具有轨道角动量,作为一种全新的自由度,丰富了目前光通信的方式.利用面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息技术,基于空间光调制器,用单束激光直接产生混合光模式阵列进行编码通信.采用由单光涡和复合光涡构成的4种易于识别的模式组成2×2混合光模式阵列,进行灰度图像的编码传输.在接收端提取混合光模式阵列图的信息并进行解码,实现零误码的灰度图像再现.以传输一幅Lena图像为例,使用2×2混合光模式阵列进行编码通信,相对于传统单光涡编码通信,其信息容量可增加4倍.该方法光路简单易行,可扩展性强,进一步拓展使用4×4混合光模式阵列进行编码通信,信息容量提升16倍.提出的混合光模式阵列编码通信方法对于提高信息传输容量具有重要价值.     

Addressable microlens array for parallel laser microfabrication

Parallel processing in femtosecond-laser-based microfabrication is demonstrated using a microlens array in conjunction with a liquid-crystal spatial light modulator (SLM). A portion of the SLM is mapped onto each individual lenslet in the array and can be used to effectively switch foci on and off for fabrication. In addition, the technique allows for homogenizing the intensity of the array of foci and translating spots relative to their natural focus. The technique demonstrates the potential for high efficiency processing of aperiodic structures.