超小自聚焦光纤探头的研究进展

梯度折射率（Gradient-index,GRIN）光纤探头是一种全光纤型超小光学镜头,在心血管等狭小空间组织内窥影像检测中具有广阔的应用前景。但其发展一直缺少系统的理论体系。本文讨论探头设计、制作和性能测试等方面的关键问题。基于GRIN光纤探头聚焦性能的特征参数,对解析设计方法与数值仿真设计方法进行比较分析。针对超小GRIN光纤探头的制作难题,研究一种光纤熔接和切割的高精度一体化集成装置,描述GRIN光纤探头的制作方法。此外,分析了超小GRIN光纤探头聚焦性能检测的方法及装置。本文为超小GRIN光纤探头的设计、制作及性能测试提供了一个方法体系。     

纯几何光线追迹的数值并行计算

二维光线追迹传输是光学传输工程模拟中的一个典型的数值计算问题，其计算非常复杂，随着离散化程度的增加，计算量也将极大地增加。考虑到更加复杂的全物理光线追迹模型传输结构和升级为三维光线追迹问题，其计算量更加庞大，计算时间更会剧增无疑，对此程序设计并行程序很有实际意义。     

体散射液晶导光板的光线追迹模拟

体散射集成导光板是一种新型的液晶背光照明系统设计。基于多重米氏(Mie)散射理论和蒙特卡罗(Monte Carlo)顺序抽样方法,对该类型导光板进行了光线追迹模拟计算与仿真设计。研究了填充粒子材料、粒径、浓度及导光板几何结构等光学参量对输出光强面分布均匀性、照明角度等背光性能的影响,并进行了初步的实验验证及设计评估。研究表明,各光学参量十分敏感,且相互制约,必须进行大量的优化计算才能获得符合实际需要导光板设计方案。导光板输出光面分布的均匀度主要由填充粒子浓度决定,视角特性主要由导光板尺寸,特别是底面倾角决定,色散程度则主要和填充粒子的直径和折射率有关。     

平面棱镜系统成像方向的追迹模拟

为了清晰说明平面棱镜系统成像方向的判定方法,推导了光在非共轴光学系统的追迹公式,对平面棱镜系统的物像坐标变化过程进行了模拟.通过棱镜对物像坐标变化过程的模拟,进一步说明了教科书中棱镜成像方向判定方法,结果显示,模拟棱镜成像是理解棱镜成像方向判定方法最为直观可行的手段,不仅有利于学生理解这种判定方法,还可以促进学生对这种判定方法的记忆.模拟过程还可以使学生深刻理解在课堂中不易理解的棱镜中各种术语定义.     

透镜导管耦合系统中光线三维追迹模拟分析

半导体激光器抽运耦合系统是固体激光器的重要组成部分.非成像系统空心透镜导管构成的耦合系统非常适用于大功率的半导体抽运阵列.为了给出透镜导管耦合系统的最佳结构,需要研究抽运光束在耦合系统内及输出面的分布.利用几何光学理论,在三维空间内,建立了空心透镜导管中抽运光束传播的数学模型,推导了光束传播的三维轨迹方程;在全三维光线追迹的理论分析基础上,开发了模拟透镜导管耦合系统传输光线的3D计算机仿真软件;通过该软件可以自动获得全部抽运光线在透镜导管耦合系统中的真实传输路径及在耦合系统输出端面的分布.最后探讨了抽运光束通过空心透镜导管耦合系统后的能蕈转换效率.计算结果表明,空心透镜导管的能量转换效率可以达到96.08%以上.     

用于空间相机设计的高精度光线追迹方法

空间光学系统在应用需求牵引下,向着大尺度、高精度、复杂化等方向发展,像差随着焦距与口径的增大呈幂指数增长,微小的误差扰动就会引起像质的大幅退化,因此对光线追迹算法的精度和稳定性提出了更严苛要求.本文从误差分析理论出发,提出了光线追迹精度表示模型,依据模型分析了计算过程误差来源,并设计了高精度光线追迹算法.数值仿真实验和典型空间相机设计案例结果表明,本文方法在精度上较原有方法提高了5—6个数量级,残差平均比Zemax小近3个数量级,数值稳定性也得到了极大提升.     

劳厄弯晶光学特性的光线追迹研究

基于X射线几何衍射的晶层模型,编写了用于柱面弯曲劳厄晶体的光线追迹软件.程序主体用C语言编写,在VC++环境下运行.利用程序分别对衍射光方向和能量带宽两方面不同的项目进行追迹,通过模拟结果与理论计算和实验结果的对比,显示出很好的一致性,从而验证了程序在追迹衍射光衍射方向变化和能量变化方面的正确性.利用该光线追迹软件,追...     

Laue弯晶聚焦特性的光线追迹研究

由于可有效降低高热负载的影响, Laue弯晶是插入件辐射高通量密度硬X射线(30 keV以上)聚焦、 准直和单色化的最有效的光学元件.研究其聚焦光学特性,对发展高性能、高稳定的Laue弯晶单色器具有重要意义. 采用自行发展的光线追迹软件较为系统地研究了Laue弯晶的聚焦特性, 分析了入射光性质及弯晶参数对聚焦光斑、焦距、发散度等主要光学参数的影响. 结果表明,衍射能量越高,聚焦光斑越小,并趋于稳定值;弯曲半径越小,聚焦光斑越小, 并在其达到一阈值时得到聚焦光斑的极小值,之后随着弯曲半径的变小,由于像差等因素的影响, 聚焦光斑反而变大;晶体越厚,聚焦光斑越大,呈线性正比关系.对于衍射光发散度, 其随着衍射能量的增大而变小,并趋于稳定值;其与晶体曲率呈线性正比关系. 同时通过研究得到弯晶各参数的合理选择范围.     

基于局部焦距追迹计算优化的广角镜头设计方法

将焦距的内涵由零视场拓展至全视场,局部焦距可被用来表征各视场处极小视场角增量光线对应的像高增量,畸变则等效为随视场变化的局部焦距。继而,将局部焦距引入光学系统的设计过程用于畸变的表征与控制,可获得算测融合的效果。针对鱼眼镜头大视场、中央视场分辨率高且无畸变的成像目标,通过对局部焦距的追迹计算和优化控制,设计了全视场角160°,50%中央视场满足f-tanθ等线投影的鱼眼镜头。针对有限物距曲面物体复杂成像场景,通过对局部焦距的调控变换,为多种曲率半径数值的凸、凹物面设计了相应的广角镜头,满足了120°视场范围内物方等分辨率投影映射的效果。     

基于拉锥结构的全光纤型内窥OCT探针研究

本文报道了一种基于拉锥结构的全光纤型内窥光学相干层析成像探针. 基于大纤芯多模光纤的低光束发散特性, 使用大纤芯多模光纤代替透镜作为成像元件, 并在单模光纤与大纤芯多模光纤之间引入过渡拉锥段以减少插入损耗. 首先利用光学仿真软件(Rsoft)确定探针的最佳结构, 然后通过拉锥、切割以及熔接工艺实现探针制作, 并对探针的出射光束特性与插入损耗进行测量, 最后将该探针与扫频光学相干层析成像主系统联机, 对人体指尖皮肤及鸡气管壁组织进行成像. 该探针直径为250 μm, 不锈钢保护管外径为325 μm, 硬端长度1 cm, 插入损耗约为0.3 dB, 空气中有效成像范围达800 μm. 该探针为内窥光学相干层析成像技术在心血管疾病的应用提供了高紧凑度、高传输效率与高灵活性的选择.     

Numerical simulation of a gradient-index fibre probe and its properties of light propagation

In order to verify the properties of the light propagating through a gradient-index (GRIN) fibre probe for optical coherence tomography (OCT), numerical simulation using the optical software GLAD is carried out. Firstly, the model of the GRIN fibre probe is presented, which is consisted of a single mode fibre (SMF), a no-core fibre (NCF), a GRIN fibre lens and an air path. Then, the software GLAD is adopted to numerically investigate how the lengths of the NCF and the GRIN fibre lens influence the performance of the Gaussian beam focusing through the GRIN fibre probe. The simulation results are well consistent with the experimental ones, showing that the GLAD based numerical simulation technique is an intuitive and effective tool for the verification of the properties of the light propagation. In this paper, we find that on the conditions of a constant GRIN fibre lens length of 0.1 mm and an NCF length of 0.36 mm, the working distance of the probe will be 0.75 mm and the focus spot size is 32 μm.     

光纤微机电系统压力传感器的理论分析和数值模拟

设计了一种基于微机电系统(MEMS)的光纤压力传感器,证明了光纤MEMS压力传感器在工作状态下可以由法布里_珀罗腔的理论模型解释。推导出了在光纤MEMS压力传感器中硅横膈膜的压力与干涉光强的关系表达式,并对光纤MEMS压力传感器的模型进行了数值模拟,初步确定了在传感器的制作过程中各个物理量的取值。其中腔体半径为300μm、腔体深度为1.42μm、硅横膈膜厚度为23μm,为光纤MEMS压力传感器的加工和制作提供了理论基础。     

具有超小光斑点和高通光效率的AlGaAs 四面锥尖的模拟和优化

本文我们利用时域有限差分方法研究和比较了四种类型探针的光发射斑点和通光效率，在这些探针中，全镀薄金属银膜的AlGaAs 四面锥尖可提供最高的通光效率和单个近场光斑点。探针镀有3 nm银膜并利用波长800 nm入射光照射是提供高通光效率和超小光斑点的优化条件，高通光效率和超小光斑点的光探针使我们能实现超高密度光存储。     

半椭球形和子弹头形光纤传感探头的耦合特性

利用光路追踪程序,对于不同光纤参数条件下半椭球形和子弹头形光纤传感探头的耦合特性进行了研究。研究结果表明：对于半椭球形探头,当长短轴之比在1.15和1.3附近时存在一个耦合最佳结构;而对于子弹头形探头,仅变成圆形时为最佳。这两种探头容易制作,半椭球形探头的耦合效率高于子弹头形。     

一种基于角谱理论的光学FRFT的数值模拟算法

以角谱传播理论和分数傅里叶变换(FRFT)的单透镜和双透镜光学实现单元为理论基础,提出了一种基于实际光学结构的光学FRFT的数值模拟算法,推导了该算法中采样间隔的选取方法,并利用Matlab语言编写了相应的处理程序,将该程序对方孔分数傅里叶变换的计算结果与实际实验结果相比较,结果表明该算法是实际光学结构在理想情况下的模拟,因此,该数值计算在一定程度上可以代替柱面镜对光场实现分数傅里叶变换,也可以为实际实验提供很好的参考和指导。     

浓度场测量的差分吸收光谱CT技术

提出了一种新的用于浓度场测量的差分吸收光谱CT技术。利用差分吸收原理进行浓度场多方位积分测量,采用少数投影最大熵重建算法进行层析图像重建。数值模拟结果表明,在0°～180°视场范围内,在4个不同的投影视角方向获取投影数据的条件下,能有效地重建出待测场分布。该技术具有较高的重建精度和良好的抗噪声性能。     

A new positioning approach of fiber probe for near-field scanning optical microscope

A fiber probe-based positioning scan approach was established, whose precision can reach as high as 0.8 μm. And a set of modified microscope system was designed utilizing this approach, in which the scanning probe microscope (SPM) combined with an optical microscope was manipulated. The optical microscope and scanning probe can conveniently be switched through a switch panel. The observation period of samples can significantly be shortened. And more reliable images can be provided using this approach. Our design can effectively solve the inherent disadvantages of SPM technology, which makes SPM scan and image more reliably, conveniently, safely and rapidly.     

宽场光学相干断层成像系统的实验研究和模拟

改进和完善宽场光学相干断层成像技术(WFOCT)的主要方法是从光源、系统光路等方面进行改进.研究WFOCT系统的成像状态和环境状态对系统的横向分辨率的影响,借助ZEMAX光学设计软件模拟该系统的干涉效果,在实验中采用八步移相法来解析样品的二维图像信息,将解析出来的样品图像赋值到图像变量中进行存储显示.实验与模拟结果表明:模拟仿真获得的干涉信号含有对比度和平行度很高的干涉条纹,证明了利用ZEMAX软件模拟仿真干涉系统的可行性.