Propagation characteristics of the two-dimensional off-axial Hermite-cosh-Gaussian beams through rectangular apertured and misaligned optical systems

By introducing a hard aperture function into a finite sum of complex Gaussian functions, an approximate analytical expression for the two-dimensional off-axial Hermite-cosh-Gaussian beams passing through a rectangular apertured and misaligned paraxially ABCD optical system has been derived. The results provide more convenience for studying their propagation and transformation than the usual way by using diffraction integral directly. Some numerical simulations are also illustrated for the propagation characteristics of a two-dimensional off-axial Hermite-cosh-Gaussian beam through a rectangular apertured ABCD optical system.     

Cross-spectral density matrix of a random electromagnetic beam propagating through an apertured axially nonsymmetrical optical system

Using the fact that a hard-edged rectangular aperture function can be approximated by a two-dimensional multi-Gaussian series, analytic formulas for the elements of the cross-spectral density matrix of a random electromagnetic beam truncated by a rectangular aperture and passing through an axially nonsymmetrical optical system is derived. The analysis is illustrated by numerical examples relating to changes in the spectral degree of polarization of electromagnetic Gaussian Schell-model beams propagating through free space, focal system and dual-focus system. In particular, the effect of the size of the hard aperture on the spectral degree of polarization of the beam along its optical axis is discussed.     

基于磁流体热透镜效应的阈值可调光学限幅器的理论设计

理论模拟了激光束通过磁流体样品后产生的远场光斑图样,提出了一种阈值可调光学限幅器的实现方案.计算了不同光阑孔径半径和不同光阑样品距离情况下,系统的出射光功率与入射光功率的关系.得出了系统的光学限幅阈值随光阑孔径半径的增大以及光阑样品距离的减小而向高功率方向转移的结论,且限幅阈值与光阑孔径半径之间呈线性关系.定义了描述磁流体样品特征的参量f,发现了系统的光学限幅阈值随f的绝对值增加而减小.本文的结论能为实际的磁流体基可调谐光学限幅器的设计与制作提供有益的参考.     

菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达实验室验证

对菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达进行了实验室尺度条件下的原理验证实验。实验中利用不同曲率半径、垂直正交偏振的两个球面波通过二维(2D)扫描方式照明远距离处的目标,接收望远镜接收到的目标回波经过偏振分光镜分成两束作为信号光和本振光进入2×4 90°桥接器,桥接器输出的四路光信号被两个平衡探测器接收,平衡探测器输出电信号经模数转换后经过复数化、两维相位二次项匹配滤波算法处理后可以重构出目标图像。对4.3m处点目标和2D面目标进行了成像实验,取得了具有良好成像分辨率和对比度且带有散斑效应的预期成像结果,证明了该合成成像激光雷达概念的正确性。     

基于遗传算法的光综合孔径圆周阵优化

从光综合孔径圆周阵列成像的基本原理出发,建立了圆周阵列的优化模型;采用改进的实数编码方法对子孔径阵列位置进行编码,运用遗传算法进行子孔径阵列的优化;以阵列的u-v覆盖点间距最大化及最小冗余度来设计目标函数,实现了8~16个子孔径二维圆周阵的优化排列;分析了二维圆周光综合孔径阵列成像系统的点扩展函数、光学传递函数和衍射成像的基本原理;对优化结果与模拟退火算法的结果进行对比,使用仿真成像程序分析其点扩展函数,并与均匀排布的圆周阵列进行对比。结果表明,采用改进的实数编码的遗传算法可以很好地解决综合孔径阵列优化的问题,相对于模拟退火算法,该方法的计算时间更短,结果更优。     

不同2×2集束聚焦方式下高功率激光靶面光强分布特性

大口径高功率激光装置为提高激光靶面的光强强度, 通常采用2×2集束聚焦的模式进行打靶. 大口径楔形透镜是组成2×2集束聚焦系统的核心元件, 可分为二维离轴楔形透镜、一维离轴楔形透镜和非离轴楔形透镜3类. 为了获得理想靶面光强分布, 基于这3 类楔形透镜, 对比研究相应2×2集束聚焦系统下的靶面光强分布特性. 研究结果表明: 相比离轴楔形透镜, 采用基于非离轴楔形透镜的2×2集束聚焦系统时, 容易在激光靶面获得更窄的主瓣宽度、更强的峰值强度、更高的能量集中度. 研究结果对高功率激光靶场聚焦系统的配置选择有重要参考价值.     

Propagation characteristics of linearly polarized Bessel-Gaussian beams through an annular apertured paraxial ABCD optical system

By means of Collins diffraction integral formula in the paraxial approximation and based on the fact that a hard aperture function can be expanded into a finite sum of complex Gaussian functions, an approximate analytical expression for linearly polarized Bessel-Gaussian beams passing through a paraxial ABCD optical system with an annular aperture has been derived. The results provide more convenient for studying their propagation and transformation than the usual way by using diffraction integral directly. By using the analytical expression and the diffraction integral formula some numerical simulations are done to illustrate for the propagation characteristics of a linearly polarized Bessel-Gaussian beam through an optical system with an annular aperture.     

二维圆周光综合孔径阵的优化排列及其成像特性研究

光综合孔径成像的原理是应用干涉原理在空间频率域中进行采样,并通过傅里叶反变换或其他数值变换方法得到空间分辨力远高于单个孔径成像系统的目标图像。由若干个相同的小孔径在二维圆周上优化排列组成的综合孔径成像系统可以在二维空间频率域中实现较为均匀分布的、具有无冗余度的采样点覆盖,为高质量实时成像提供了一个有效的途径。运用模拟退火算法对由7～16个子孔径组成的二维圆周综合孔径阵列进行优化排列。并依据光学衍射成像原理,从空域和频域两个方面详细分析了二维圆周上优化排列与均匀排列光综合孔径阵的成像特性。对7～16个子孔径组成的光综合孔径的仿真结果表明：无论是在空域还是频域上,子孔径直径增大、孔径数目增多以及综合孔径阵的优化排列都是有利于提高成像质量的。但综合后的子孔径的直径的增大,虽然能获得极高的角分辨力,却并不利于成像质量的提高。     

石墨烯等二维原子晶体薄片样品的光学衬度计算及其层数表征

本文以鉴别机械剥离法制备的高质量石墨烯样品的层数为例, 阐明了如何利用传输矩阵来计算二维原子晶体薄片样品的光学衬度, 并进一步精确地鉴别其层数. 计算结果表明测试时所选用的显微物镜数值孔径对精确确定薄片样品的层数非常重要, 并为实验所证实. 同时提出了使用两个激光波长可以快速地表征样品尺寸接近物镜衍射极限的薄片样品层数的方法. 本文所采用的传输矩阵形式非常适合于计算二维原子晶体薄片样品的光学衬度, 并可以方便地推广到更复杂的多层衬底结构, 以便快速和准确地鉴别各种衬底上二维原子晶体薄片样品的厚度. 关键词： 二维原子晶体材料 层数 传输矩阵 光学衬度     

AOTF成像光谱仪光学系统的最优方案选择

基于声光可调谐滤波器（AOTF）的成像光谱仪是一种新型的成像光谱仪,它除了具有一般成像光谱仪的二维空间信息与一维光谱信息外,还能获得目标的偏振信息。在实际应用中AOTF可接收的光束孔径角一般不大于5～6,因而受到所采用声光晶体可接收角度的限制,AOTF光谱成像仪的光学系统不能同时兼顾大孔径与大视场。要求AOTF成像光谱仪视场满足128128像元,TeO2晶体尺寸为10 mm10 mm,根据声光可调谐滤波器成像光谱仪光学系统的特点,分析比较了2种光学系统总体方案,最终将系统的孔径光栏放置在晶体上,TeO2晶体尺寸限制了孔径光栏的尺寸,晶体可接收的角度决定了系统的视场角,提高了能量利用率,获得较高的图像信噪比。     

Studies of propagation characteristics of elliptical Gaussian beams through circular apertured optical systems

An approximate analytical propagation formula of the elliptical Gaussian beams through a paraxial ABCD optical system with a circular aperture is obtained on the basis of the expansion of a hard-edged aperture into a finite sum of complex Gaussian functions. And the parameter characteristics of the truncated beams including the beam propagation factor and the kurtosis parameter are also studied in detail by using the second-order-moments method.     

Propagation properties of Gaussian beams through the anamorphic fractional Fourier transform system with an eccentric circular aperture

As known, it is important for the propagation of Gaussian beams in optics. In this paper, based on the expanding a hard-edge circular aperture function as a finite sum of complex Gaussian functions and the scalar Rayleigh-Sommerfeld diffraction formula, an approximation analytical solution for Gaussian beams propagating through the anamorphic fractional Fourier transform system with an eccentric circular aperture is performed. Then, the detailed numerical calculation for the two-dimensional Gaussian beams in the above-mentioned optical system is presented. The simulation also shows that different location and size of aperture result in the change of diffracted field, including location, intensity and width. All these characteristics help us understand Gaussian beams propagation better.     

红外折/衍混合离轴望远系统设计

本文针对空间光学系统轻型特点,设计了一个二元光学折/衍混合红外反射式望远系统。采用了离轴式格里高利(Gregorian)结构形式,消除了望远系统中的中心遮拦问题。用衍射光学元件校正系统象差,使反射面为球面,二元光学表面尺寸比施密特(Schmidt)校正板(位于入瞳处)缩小于3～4倍,光学设计运用OSLO软件,光学系统的通光孔径φ=120mm,焦距f=-1000mm,波长λ=4.3μm,视场2ω=2°×6°(子午×弧矢),分辨率Res=0.05mm,MTF≥0.4(空间频率fre≤10cl/mm).     

大容差光纤耦合技术研究

设计了一种新型的耦合系统,该耦合系统由大口径聚焦透镜、1/4节距自聚焦透镜、锥形光纤和球端光纤四部分组成.分析了自聚焦透镜压缩发散角和球端光纤增大数值孔径的机理,给出了计算锥形光纤参量的详细流程.采用大口径透镜和1/4节距自聚焦透镜有效增大径向位置容差和角度容差,然后通过锥形光纤压缩光束半径将激光耦合进球端光纤.仿真实验结果表明,该系统耦合在r<3 mm,－1<θ<1.5范围内的耦合效率稳定保持在50%以上.     

厄米-高斯光束在内含硬边光阑光学系统中的传输

把硬边光阑从复杂光学系统中“移”出来,即把任意一个含有硬边光阑的复杂光学系统体现到含有入射光瞳和出射光瞳的光学系统中，使硬边光阑的作用转化为出射光瞳的作用，以便求出观察面上的解析解。对入射面上的二维厄米 高斯光束，利用柯林斯公式和入射光瞳与出射光瞳的物像关系，可得到所要求观察面的场分布和解析结果，通过数值模拟验证了其正确性。通过分析计算得到如下结论：对于任意一个含有硬边光阑的复杂光学系统，都可以把光阑的作用从系统中“移”出来，把其看作是出射光瞳的作用，从而可以较为简便地求出观察面上的场分布。     

Propagation properties of the beam generated by Gaussian mirror resonator passing through a paraxial ABCD optical system

By expanding a hard aperture function into a finite sum of complex Gaussian functions, approximate propagation formula is derived in the situation that the beam generated by Gaussian mirror resonator passes through a paraxial ABCD optical system with an annular aperture. The corresponding forms for a circular aperture and a circular black screen are also given. Some numerical simulations are shown to illustrate propagation properties and focusing properties of the beam passing through a paraxial ABCD optical system with the three different kinds of aperture.     

小孔阵列衍射特性与应用

以单色标量波衍射理论为基础,研究了均匀平面波从不同角度入射小孔阵列的衍射特性。运用单孔衍射理论,同时考虑相邻小孔间衍射光强的相互影响,建立了小孔阵列衍射的理论模型和光强分布的数值积分式,小孔为硬边小孔。利用Matlab对500 nm波长的平面波入射微小方孔阵列衍射图样进行了计算机仿真,得到了不同几何参量下平面波从不同角度入射时的衍射图样的一维和二维光强分布图,并将仿真结果用于微型数字式太阳敏感器的光学系统中的结构参量设计和图像处理中的参量确定。太阳敏感器的成像实验结果表明,小孔阵列衍射光强分布图的仿真结果正确、太阳敏感器光学系统参量设计合理。小孔阵列衍射理论为太阳敏感器的光学系统设计和图像处理提供了可靠的理论基础。     

编码孔径成像光谱仪光学系统设计

本文设计了一种以双Amici棱镜为分光元件的成像光谱系统,该系统主要包括前置望远物镜、编码板、双Amici棱镜、准直镜和成像镜.此类光学系统可以获得很高的衍射效率,相比于狭缝结构的成像光谱系统,该光谱仪为两维空间扩展的视场,无疑增加了设计难度.后期的数据反演算法对一次像面编码板的成像效果过于依赖,基于此,对光学系统的像差校正提出了更高的要求.本文设计、分析了基于双Amici棱镜的成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统.前置望远物镜的设计为像方远心,MTF在39线对处,达到0.8,成像质量良好.创新性的将前置望远物镜倒置用做准直系统.全系统各个波长在39线对处的MTF值均在0.65以上.对室外目标景物进行推扫成像,从获得的成像数据判断,本文设计的编码孔径成像光谱仪原理可行,衍射效率高,全视场成像质量良好,全谱段光谱数据可信.     

孔径平均效应对采用相位补偿技术的空间相干光通信系统误码率的影响

基于大气湍流影响下的空间相干光通信系统模型和孔径平均效应的平面波模型,通过数值模拟研究了弱光强波动条件下孔径平均效应以及大气湍流内外尺度对相干光通信系统误码率和接收孔径直径最优值的影响。研究结果表明:孔径平均效应能够有效减小相干光通信系统的误码率,改善系统性能;原始信噪比越高,传输距离越短,波长越长,相位补偿模式的J值越大,接收孔径直径越接近最优值,孔径平均效应对误码率的改善效果越明显;孔径平均效应会影响接收孔径直径的最优值,相位补偿模式的J值越大,影响越明显;系统误码率和接收孔径直径最优值会随着大气湍流内尺度的增大而相应增大,随着大气湍流外尺度的减小而相应减小。研究结果将为空间相干光通信系统设计提供必要的理论依据。     

大口径光学合成孔径成像技术发展现状

简明介绍了光学合成孔径的两种成像方式和光学波段合成孔径的发展概况。全面介绍镜面拼接、稀疏孔径和位相阵列3种合成孔径结构系统国内外发展现状。归纳出了目前光学合成孔径技术在天基和地基观测系统的发展趋势及技术难题。与传统单一口径的光学系统相比,光学合成孔径系统具有更高的分辨率、镜面加工难度低、易折叠、重量轻等特点,是实现高分辨率光学成像系统的一种重要且有效途径。