旋转双棱镜光束指向控制技术综述

旋转双棱镜系统通过两棱镜的共轴独立旋转改变光的传播方向,可用于调整光束或视轴指向。与传统的两轴、三轴式光电平台相比,基于旋转双棱镜设计的光束或视轴调整装置具有精度高、结构紧凑、动态性能好等优点,已成为传统光电平台的有益补充。本文分析了双棱镜系统的光束指向调整机制;介绍了国内外相关基础研究的热点问题,主要涉及光束转向机制、光束扫描模式、棱镜回转控制以及棱镜引起的光束变形、成像色差、成像畸变的研究。文中描述了该项技术的应用进展,给出了利用该项技术开发的典型产品以及该项技术在激光光束指向调整和目标搜索、识别与跟踪成像方面的应用。最后,探讨了旋转棱镜在扫描模式、光束质量、成像色差与畸变、回转控制等方面面临的技术难题,并对其发展趋势进行了展望。     

基于旋转双棱镜的光束复合跟踪控制技术

提出一种基于旋转双棱镜的光束复合跟踪技术,用于取代传统伺服转台实现精密的光学跟踪。首先,建立双棱镜的光束偏转模型,详细推导光束偏转矢量与双棱镜转角间的转换关系,并对跟踪过程中的棱镜旋转非线性问题进行了分析。提出基于快速反射镜进行光轴修正的双棱镜光束复合跟踪方法,通过建立偏转光轴与光学基台间的扰动耦合关系,实现了对双棱镜转速的实时补偿,并改进棱镜控制器以提高光束控制性能。搭建实验系统,对旋转双棱镜复合跟踪技术进行验证。在动态跟踪实验中,采用改进控制器的双棱镜的控制精度明显提高,相较于比例-积分-微分控制器和线性自抗扰控制器,所提出的改进控制器使棱镜的控制精度分别提高58.33%和32.81%,并使跟踪误差由改进前的49.03μrad和38.88μrad降低为31.15μrad。开启视轴补偿后跟踪性能进一步提高,总跟踪误差降至7.49μrad,跟踪精度提高4.16倍。实验结果表明,光束复合控制能有效提高双棱镜的跟踪精度,验证了所提方法的有效性。     

三棱镜对圆高斯光束的变换

本文对基模高斯光束经三棱镜的变换进行了定量分析,表明基模圆高斯光束经三角棱镜变换后成为椭圆高斯光束。得出了椭圆高斯光束基本参量（椭圆光斑长、短半轴、等相面曲率半径、远场发散角）与入射基模圆高斯光束腰斑半径及三棱镜结构参数的定量关系。分析了光束的Ｍ２因子。     

正交双棱镜实现多光束干涉

利用2个相互平行正交放置的菲涅耳双棱镜,实现空间分波阵面的四光束干涉.用Mathlab软件对实验进行仿真模拟,计算机模拟的光强分布图与实验所得的光强分布图照片符合较好.     

尼科耳棱镜透射光束的平移

从惠更斯原理出发,根据e光在晶体中的传播特性,从理论上详细分析了光线平行于常规尼科耳棱镜长边入射时透射光相对入射光的平移,并给出了6种改进形式尼科耳棱镜的光束平移.结果表明:对于相同的棱镜孔径Φ,阿伦斯尼科耳棱镜产生的光束平移量最小,而汤普逊倒尼科耳棱镜产生的光束平移量最大.     

一种新的光束概念—无衍射光束

本文介绍了国际学术界新近提出的无衍射光束概念,对该光束的物理机制和应用前景进行了讨论。     

轴棱锥——透镜系统的光束传输与变换

对平面波经过轴棱锥--透镜系统的整个演绎过程进行详细的理论分析,数值模拟和实验验证.平面波经过轴棱锥产生横向光场不变的近似无衍射光,在最大无衍射距离内加入合适透镜将产生局域空心光束(Bottlebeam),而空心光束的尺寸可通过改变透镜焦距进行控制.当光束继续传播,贝塞尔(Bessel)光发生自重建(Self-reconstruction),但重建的Bessel光将会发散,光强随着传播距离增大而迅速下降,且中心亮斑尺寸也迅速增大.通过引入另一聚焦透镜对光束进行修正,恢复了Bessel光束的无衍射的特性.利用显微镜-CCD光束分析系统获得不同传播距离的截面光强分布,实验结果和理论分析及数值模拟相吻合.     

马普-赫斯棱镜对单模高斯光束光强分布影响分析

根据光在马普－赫斯棱镜两空气隙胶合层中的干涉效应,分析了其对单模高斯光束光强分布的影响.结果表明,对于某一高斯光束入射棱镜时,透射光束光强将随入射角的变化而呈现周期性的振荡;对于正入射的光束,当空气隙的厚度一定时,透射光强随棱镜两空气隙结构角的变化作周期性振荡;当结构角一定时,透射光强随空气隙厚度的变化作周期性变化;且透射高斯光束的形状也随棱镜结构的改变发生变化,表明,可以通过选择合适的棱镜结构以减小棱镜对透射光束的影响,对于成品棱镜,则可通过改变入射角使棱镜的性能达到较佳状态.     

双光束干涉法测量双棱镜的楔角

在双光束干涉实验中测量出干涉条纹间距,在波长已知的条件下计算出虚光源的间距。利用光的折射定律可推导出虚光源间距和双棱镜的楔角的关系,从而计算出双棱镜的楔角。     

微光束平移尼科耳棱镜的设计

从惠更斯原理出发,根据e光在晶体中的传播特性,从理论上详细分析了光平行于常规尼科耳棱镜长边入射时透射光相对入射光的平移并得出了光束平移的公式.通过分析发现,随结构角γ的增大光束平移量d变小的趋势十分明显.运用数学方法求出了一种光束平移量最小的尼科耳棱镜形式.     

椭圆孔径与轴棱锥系统产生带状近似无衍射光束

基于菲涅耳衍射理论,硬边孔径的复高斯函数展开法及稳相法研究了椭圆孔径与轴棱锥系统的光束传输特性,推导出了高斯平面波经轴棱锥衍射后产生的无衍射光场的表达式,数值模拟了不同传播距离处的截面光强分布,并设计了实验进行验证。用电荷耦合器件(CCD)拍摄得到不同传播距离处的光强分布。实验和模拟结果均表明平面波经椭圆孔径和轴棱锥系统后可获得具有马丢光束特征的带状无衍射光束。研究结果对无衍射光束在光学无损检测、条码扫描等应用上具有重要的指导作用。     

产生不同类型局域空心光束的可拆式组合轴棱锥

提出一种产生尺寸可调局域空心光束的新型光学元件——可拆式组合轴棱锥,这种新型光学元件是在传统轴棱锥的中部沿其轴线方向贯通开设一圆孔,在圆孔内嵌设一第二轴棱锥组成。通过更换不同底角的第二轴棱锥(或第一轴棱锥),可形成不同尺寸的单个局域空心光束或周期性局域空心光束。从几何光学出发分析了产生局域空心光束的原理,计算了局域空心光束的相关参量。由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件的光强分布特性。几何光学和衍射理论所得分析结果基本吻合。     

液体轴棱锥产生尺寸可调的单个局域空心光束

提出产生尺寸可调单个局域空心光束(bottle beam)的一种液体轴棱锥新模型.从几何光学角度分析了液体轴棱锥产生局域空心光束的原理,同时利用衍射理论加以模拟验证.得出:注入液体折射率大于轴棱锥材料折射率时可产生单个局域空心光束.通过光学设计软件TraeePro建立液体轴棱锥模型并模拟其光束传输变换特性.计算和模拟不...     

等衍射长度超短脉冲贝塞耳-高斯光束的传输特性

使用复解析信号法,研究了衍射长度与频率无关的超短脉冲贝塞耳－高斯光束在自由空间中的传输,推导出了解析表达式并进行了理论和计算分析.结果表明：在无衍射长度内,等衍射长度超短脉冲贝塞耳.高斯光束的横向光强分布扩展很小.在无衍射长度之外,横向光强分布有显著扩展.但是,在无衍射长度内轴上脉冲波形仍有展宽.随传输距离增加轴上蓝移单调增加逐渐达到一渐近值.随横向距离增加轴外光谱移动由蓝移变为红移.     

相位翻转厄米-高斯光束的传输特性

将相位翻转高斯光束的概念推广到相位翻转高阶模光束.以相位翻转厄米-高斯光束为例,推导出相位翻转高斯光束通过近轴理想(无光阑)ABCD光学系统,以及带刀口和光阑的ABCD光学系统传输的递推方程,并用以研究相位翻转高斯光束的传输特性.特别是,得出对TEM1、TEM2和TEM3模相位翻转高斯光束,光阑效应可以忽略的条件分别是截断参量δ≥2.1,2.5和 3.0.     

Nondiffracting Optical Beams: Physical Properties, Experiments, and Applications

The controversial term nondiffracting beam was introduced into optics by Durnin in 1987. Discussions related to that term revived interest in problems of the light diffraction and resulted in an appearance of the new research direction of the classical optics, dealing with the localized transfer of electromagnetic energy. In this paper, the physical concept of the nondiffracting propagation is presented and the basic properties of the nondiffracting beams are reviewed. Attention is also focused to the experimental realization and to applications of the nondiffracting beams.     

Beam Propagation Factor and Generation of Cosh-squared-Gaussian Beams

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｒｅｃｅｎｔｌｙ ,Ｃａｓｐｅｒｓｏｎ ｅｔａｌ.[1,2 ]ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｓｏ ｃａｌｌｅｄＨｅｒｍｉｔｅ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ Ｇａｕｓｓｉａｎｂｅａｍｓ (ＨＳＧＢｓ)ａｎｄ ｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｙａｒｅｓｔｉｌｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｗａｖｅｅｑｕａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅ ｐａｒａｘｉａｌａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｒｃｏｍｐｌｅｘｒａｄｉｕｓｏｆｃｕｒｖａｔｕｒｅａｎｄｍｅａｎｒａｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｂｅｙｔｈｅｗｅｌｌ ｋｎｏｗｎＡ…     

Propagation and Beam Quality of Flattened Hermite-Gauss Beams

ＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎａｎｄＢｅａｍＱｕａｌｉｔｙｏｆＦｌａｔｔｅｎｅｄＨｅｒｍｉｔｅ－ＧａｕｓｓＢｅａｍｓ￥ＨＵＡＲｅｎｚｈｏｎｇ；ＱＩＡＮＬｉｅｊｉａ，ＦＡＮＤｉａｎｙｕａｎ；ＤＥＮＣＸｉｍｉｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃ...     

Beam Propagation Factor and Generation of Cosh-squared-Gaussian Beams

A new light beam termed as a cosh-squared-Gaussian beam (ChSGB) which may be one of solutions of the paraxial wave equation for propagation in complex optical systems has been introduced. Their beam propagation factor (M2-factor) is derived and schemes to generate this light beams are proposed.     

Design and Analysis of Diffractive Axicons for Gaussian Beam Illumination

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｒｅｃｅｎｔｌｙｔｈｅｒｅｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅａｘｉｃｏｎｓｔｈａｔｐｒｏｄｕｃｅａｆｏｃａｌｓｅｇｍｅｎｔｗｉｔｈｎｅａｒｌｙｕｎｉｆｏｒｍｏｐｔｉｃａｌｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｌｏｎｇｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｘｉｓｗｉｔｈｉｎａｓｐｅｃｉｆｉｅｄｒｅｇｉｏｎｂｅｈｉｎｄｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔ[1～1 2 ] .Ｔｈｉｓｉｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｕｎｕｓｕａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａ…