基于夫琅禾费衍射的星芒现象探究

对拍摄光源时产生的星芒现象做出了理论解释和实验探究。基于夫琅禾费衍射理论,推导了光线通过正多边形孔后的复振幅分布,并用MATLAB对光场做傅里叶变换,得到了不同频率的光通过不同形状,不同大小的小孔后的衍射图样。并且开展了对应的实验,给出了不同频率的光线通过不同形状和大小的光圈后产生星芒的条件和规律,验证了理论分析的正确性。     

低频液体表面波衍射条纹正负级次的不应性

基于声光衍射原理,利用光学方法对低频液体表面波的光衍射特性进行了研究,给出了非对应级数的解析表达式并进行了数值模拟,解释了非对应分布的机理.实验观察到清晰、稳定的衍射图样,且条纹间距具有明显的不对称性;随入射角度增大,正负级衍射条纹具有明显的不对应分布,即正条纹级数多于负条纹级数.研究表明:衍射条纹级数的不对应程度与入射角有关,随入射角的增大,正负级数不对应程度加剧;负级衍射条纹级数存在最大值,超过该最大值的负级衍射条纹缺失;理论分析和实验结果吻合较好.     

利用单缝衍射装置探究照片中"星芒"的成因

利用单缝衍射装置探究照片中的星芒背后的光学原理。激光束分别在不同方向的单缝和不同的正多边形小孔衍射屏上发生衍射。光通过两个互相垂直的单缝得到"十"字形衍射图案,是光传播的独立性和叠加原理的体现。星芒可视为光通过不同方向的单缝时分别发生衍射形成的衍射图案的叠加。光在正三角形、正方形、正五边形和正六边形小孔的衍射屏上发生衍射,衍射图案与摄影师们用具有不同叶片的光圈的相机拍摄的星芒一致,更直接地证明星芒是光通过多边形的相机光圈时发生夫琅禾费衍射的结果。此实验有望在大学物理教学中开展。     

水平平板上静态液滴的光学效应研究

对液滴表面的光学衍射效应进行实验研究.当用一准直、扩束的激光束自下而上,垂直照射水平放置的平板上的静态液滴表面时,得到了清晰、稳定的衍射图样.衍射图样的强度分布随着入射光束半径的变化而变化.当激光束半径改变到某一特定大小时,衍射图样中心条纹消失.通过对衍射条纹的分布与液体表面形态的理论分析,并根据物理光学原理,得到了条纹强度分布与激光束半径和入射面液面最大高度之间比值是相关的.基于这一发现,提出了一种液滴表面研究的非接触、有效实验方法.     

超声光栅与平面透射光栅衍射图样的比较研究

分析了超声光栅的形成机理,给出了超声光栅衍射图样光强分布的解析表示,通过理论分析和数值模拟对超声光栅与平面透射光栅的衍射图样进行了比较研究.结果表明其衍射主极大满足类似的光栅方程,但衍射条纹的强度分布不同;都能产生缺级现象,但规律不同;超声光栅是一种动态光栅,各级衍射谱线的频率不同.     

基于衍射条纹非对称性的表面波衰减系数的测量

通过采用将入射光掠入射到频率为几百赫兹的衰减低频液体表面波上,观察到了清晰的间距分布具有明显非对称性的衍射条纹。当入射光掠入射到低频液体表面上时,衍射图样非对称分布具有普遍性。理论上得到了考虑表面波衰减影响后观察屏处衍射光强分布的解析表达式。理论结果表明:衍射图样的这种非对称分布与衍射级次、入射光波波长、液体表面波波长及表面波衰减系数有关;正负级次衍射亮条纹距离中央零级亮条纹的间距体现表面波衰减信息;正衍射级次之间以及负衍射级次之间的条纹间距体现表面波波长信息。利用所提出的方法实现了对几百赫兹液体表面波的衰减系数的实时便捷测量。     

低频液体表面波衍射条纹的不对称性

实验上实现了低频液体表面波的光衍射,当表面波波长远大于入射光波波长时,得到了稳定、清晰的衍射图样,并首次发现了衍射条纹具有明显的不对称分布.理论上对表面波衍射的近似条件进行了分析,得出了各级衍射条纹角宽度的解析表达式,解释了衍射条纹的非对称分布.衍射图样的不对称分布具有普遍规律,可观察的明显程度与表面波的波长和光波波长的比值有关,在能观察到衍射效应的条件下,当表面波波长远大于光波波长,非对称分布越明显,当表面波波长远接近光波波长时,衍射条纹可近似的看成是对称分布的.     

夫琅禾费衍射光强的反常分布和 Matlab模拟

讨论了夫琅禾费衍射实际实验中的反常现象,在一定条件下给出了计算机模拟的结果。实验表明,衍射图样的实验数据点分布结果与数值计算的模拟结果一致。由此可知,夫琅禾费衍射光强的反常分布是远场条件失效所致。     

自制光的干涉、衍射实验仪器

自制了光的干涉、衍射实验教学仪器,该仪器可以观测正n(n=3,4,5,6,7)边形孔和圆形孔的衍射现象;也可以通过调节单缝宽度,演示缝宽连续变化过程中,亮条纹的宽度变化过程;同时该仪器还可以开展双缝干涉实验来测定光的波长.实验装置轻便、操作简单,实验现象明显.     

数值法研究光的圆孔衍射实验现象

在平行平面波近似的情况下,数值法求解菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,得到平行平面光波通过圆孔衍射后的光强分布图.通过对纵向及横向光强分布图的数值分析,验证了轴上点光强由菲涅耳数决定,菲涅耳数大于1时为菲涅耳衍射区,菲涅耳数小于1时为夫琅禾费衍射区.在近场,光强分布为明暗相间的环形条纹;在远场,光束演化成束腰位置在圆孔处的高斯光束,仿真结果与理论和实验结果基本一致.本仿真结果将光衍射的抽象理论直观化、可视化.     

角锥棱镜的斜入射远场衍射图样

角锥棱镜是激光反射器的主要光学组件,在合作目标卫星激光测距中发挥着关键作用.精确计算角锥棱镜的远场衍射图样是估算激光测距回波能量的必要过程.本文基于角锥棱镜的反射原理,分析了不同激光入射方向对反射器有效反射面积的影响,提出了一种适用范围更广的有效反射面积计算方法,同时分析了激光入射方向对角锥棱镜光学反射率的影响.在此基础上,应用光学标量衍射理论建立了远场衍射图样算法,分别对多种激光入射方向的镀金属(银)膜和无镀膜角锥棱镜进行了远场衍射图样仿真计算,得到了两类角锥棱镜的远场衍射图样分布随入射方向变化的规律.搭建了角锥棱镜远场衍射图样测试系统,通过实测结果与仿真计算的对比分析,验证了仿真计算的准确性.     

基于菲涅耳原理的小孔衍射

运用菲涅耳原理,分析了照相机拍摄的提灯照片中光束中心发出大量射线的原因,使用Mathematica模拟了正多边形孔的衍射图样并计算了不同孔径的亮纹宽度.模拟图样显示:奇数边孔的条纹数目为孔边数的2倍,偶数边孔的条纹数目与孔边数相等.用三角形小孔和七边形小孔进行实验,实验结果与理论模拟一致.     

C60掺杂向列相液晶薄膜的激光诱导自衍射现象研究

利用Kirchhoff-Fraunhofer衍射积分原理研究了实验中观察到的C60掺杂垂直排列向列相液晶(5CB)液晶薄膜的远场衍射图样.模拟计算结果表明:实验中观察到的衍射圆环是不同实验参数的结果,并给出了确定衍射圆环结构的主要参数C1和C2.当C1和C2的符号相同时,远场会出现中心强度最大,向外逐渐减弱,分布尺度较小的细衍射环;当C1和C2的符号相反时,远场会出现中央较暗,向外逐渐增强,分布尺度较大的粗衍射环.衍射圆环的产生可由高斯光束通过非线性样品是引起附加相位的自相位调制现象来解释.将使液晶材料应用于光限幅等光子学领域.     

LiNbO3:Fe晶体中光感应自衍射观察

用He-Ne激光束沿LiNbO₃:Fe晶体的x轴或y轴方向聚焦照射较薄样品时,在晶体后面的屏上观察到十分规则的衍射图样。这与前人在该晶体中观察到的由晶体中光折变形成的位相噪音栅引起的光感应光散射现象迥然不同。我们观察到的这种自衍射图样,可用聚焦激光束入射时在晶体中形成的复杂类透镜效应和自衍射理论来解释。它可以清楚地表明聚焦激光束入射时晶体中光折变过程的特点、还可由衍射条纹的数目直接推算晶体中光折变△n的最大值。文中还实验研究与讨论了光感应自衍射的形成条件及其与光感应光散射的竞争关系。 关键词：     

高斯光束通过非线性介质后的远场衍射图样的研究

 利用菲涅尔－基尔霍夫衍射积分公式，对发散和会聚高斯光束通过薄非线性介质时形成的远场衍射图样进行了研究。模拟计算结果表明：当发散高斯光束通过自散焦介质或会聚高斯光束通过自聚焦介质时，远场均会出现中央较暗、向外围逐渐增强、分布尺度较大的粗衍射环；当发散高斯光束通过自聚焦介质或会聚高斯光束通过自散焦介质时，远场均会出现中心强度最大、向外围逐渐减弱、分布尺度较小的细衍射环。不同远场衍射图样归根结底是入射高斯光束因介质折射率变化造成的空间自相位调制及其波前曲率共同作用的结果。     

LiNbO_3:Fe晶体中光感应自衍射观察

用He-Ne激光束沿LiNbO_3:Fe晶体的x轴或y轴方向聚焦照射较薄样品时,在晶体后面的屏上观察到十分规则的衍射图样。这与前人在该晶体中观察到的由晶体中光折变形成的位相噪音栅引起的光感应光散射现象迥然不同。我们观察到的这种自衍射图样,可用聚焦激光束入射时在晶体中形成的复杂类透镜效应和自衍射理论来解释。它可以清楚地表明聚焦激光束入射时晶体中光折变过程的特点、还可由衍射条纹的数目直接推算晶体中光折变△n的最大值。文中还实验研究与讨论了光感应自衍射的形成条件及其与光感应光散射的竞争关系。     

不同三角形孔的Fraunhofer衍射图样模拟

利用基尔霍夫衍射理论,推导出不同三角形孔的Fraunhofer(夫朗禾费)衍射在屏幕上的相对衍射强度的分布公式。并利用mathematica软件模拟了不同三角形孔的Fraunhofer衍射图样与强度分布,从而找出了不同三角形孔的形状与Fraunhofer衍射图样之间的内在规律。     

高斯光束通过非线性折射和吸收介质的光强分布

以衍射理论为基础,推导并模拟了高斯光束通过非线性折射和吸收效应介质后的远场光强分布。结果表明:入射高斯光束引起的介质折射率变化和光束波前曲率影响介质出射面光束的径向调制相位,安装在焦点前的有自聚焦效应的介质和安装在焦点后的有自散焦效应的介质具有闪耀光栅的能力,使远场出现中心为暗斑外侧为亮环的衍射图样。非线性折射效应为主的介质,其非线性吸收效应的变化同时改变远场衍射图样的数目和光强值,但对于非线性吸收效应为主的介质,衍射图样的数目随吸收效应的变化不明显,吸收效应只影响光强值。     

关于菲涅耳衍射图样相似性的分析与讨论

与夫琅禾费衍射不同,菲涅耳衍射图样对于给定波长,当衍射距离变化或输入图像几何缩放时一般都不具有相似性.但我们的分析表明,若波长、衍射距离和输入图像几何线度诸参数满足一定关系,或对于某些特殊类型孔径,菲涅耳衍射图样有可能彼此相似.本文导出了在上述诸参数发生变化时菲涅耳衍射图样保持相似性的普适条件,以及此时衍射图样大小与诸参数的定量关系,并对包括圆孔衍射和直边衍射等情况都得到了一系列有价值的推论.     

圆孔受限波差高斯光束的远场近似及发散度分析

引入复高斯函数对衍射受限的圆孔进行了复高斯分解,得到了波差高斯光束远场衍射的近似解析式。在各种参量条件下,近似解析式所表示的衍射图样与严格的夫琅和费衍射积分的衍射图样完全一致,这表明用此解析式表征远场衍射是正确的。它的形式相对简单,为计算带来极大的方便。基于此,对有波差的高斯光束的远场发散度进行了深入的研究,检验了确定参量的光束随距离的改变而发散度不被改变的特性;同时,探讨了在圆孔限制下,发散度随高斯光束的束腰及波差的改变而变化的关系曲线,结果表明,这两个参量是影响发散度的主要因素。