一种产生无衍射线结构光的新型光学元件

提出一种可产生无衍射线结构光的新型光学元件组合三角棱镜,由正、负等腰三角棱镜胶合在一起设计而成,其变换光束特性与单个正等腰三角棱镜相同,等效底角由正、负等腰三角棱镜底角之差决定,因此可通过较大底角的正、负等腰三角棱镜组合得到更小角度的底角,以获得更大焦深的无衍射线结构光,解决了单个正等腰三角棱镜小角度加工困难的技术问题。采用几何光学理论分析产生无衍射线结构光的原理,计算无衍射线结构光的相关参数,由衍射积分理论分析和模拟光束经过新型光学元件后的光强分布特性。实验结果表明:平面波正面入射新型光学元件可以产生具有大焦深的无衍射线结构光。     

新型棱镜产生近似无衍射线结构光

为了改善三角棱镜系统产生近似无衍射线结构光的能量均匀分布在若干条光斑上,不适合直接应用于三维表面测量且中心光斑对能量利用率较低的问题,提出了一种新型光学元件.该元件在三角棱镜的基础上,通过在其底部胶合一个与原三角棱镜底面大小相等,横截面为等腰梯形的凸台制成.采用几何光学的理论对新型光学元件的光束变换特性进行分析,结果表明其可以等效为两个不同底角三角棱镜的组合,平面光束通过新型光学元件后将产生中心光斑较强的近似无衍射线结构光.由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件后的空间光强分布特性.仿真的结果表明,衍射积分分析的结果与几何光学分析的结果是一致的:新型光学元件可以产生一种性能更好的近似无衍射线结构光.并且通过改变棱镜的结构参量,能够方便地调节光束的中心光斑尺寸、近似无衍射范围等参量.     

基于同步多曲面法的发光二极管机器视觉照明设计

为了改善三角棱镜系统产生近似无衍射线结构光的能量均匀分布在若干条光斑上,不适合直接应用于三维表面测量且中心光斑对能量利用率较低的问题,提出了一种新型光学元件.该元件在三角棱镜的基础上,通过在其底部胶合一个与原三角棱镜底面大小相等,横截面为等腰梯形的凸台制成.采用几何光学的理论对新型光学元件的光束变换特性进行分析,结果表明其可以等效为两个不同底角三角棱镜的组合,平面光束通过新型光学元件后将产生中心光斑较强的近似无衍射线结构光.由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件后的空间光强分布特性.仿真的结果表明,衍射积分分析的结果与几何光学分析的结果是一致的:新型光学元件可以产生一种性能更好的近似无衍射线结构光.并且通过改变棱镜的结构参量,能够方便地调节光束的中心光斑尺寸、近似无衍射范围等参量.     

一种产生无衍射贝塞尔光束的新型组合锥透镜

提出一种可产生无衍射贝塞尔(Bessel)光束的新型光学元件——组合锥透镜,由正、负轴棱锥胶合在一起设计而成。其变换光束特性与单个正轴棱锥相同,等效底角由正、负轴棱锥底角之差决定,因此可通过较大底角的正、负轴棱锥组合得到更小角度的底角,以获得更长距离的无衍射光,解决了单个正轴棱锥小角度加工困难的技术问题。推导出组合锥透镜的ABCD传输矩阵,数值模拟平面波通过组合锥透镜后的光场为无衍射Bessel光束,并从几何光学角度用Zemax软件模拟组合锥透镜后的光场分布,与正轴棱锥后的光场进行了比较。研究结果为实现无衍射Bessel光束开辟一条新的途径。     

浸液式组合轴棱锥产生长距离无衍射贝塞尔光束

设计了由负轴棱锥、折射率匹配液、正轴棱锥组成的浸液式组合轴棱锥.理论分析表明:浸液式组合轴棱锥系统与传统轴正棱锥等效,同时可有效提高最大无衍射传输距离;系统产生的最大无衍射距离与负轴棱锥的底角、折射率,匹配液的折射率,正轴棱锥的底角和折射率这五个量有关,极大地增加了系统设计的灵活性,拓展了光学材料的选择范围,降低了光学元件的加工难度.     

负折射率材料透镜的消色差

以工作在近红外波段0.848 μm～1.114μm,焦距100 mm,入瞳直径20 mm,具有负阿贝数的负折射率平凹透镜为例,介绍了两种对该类负折射率透镜的消色差设计方法,即利用正折射率材料透镜与负折射率材料透镜组合消色差和负折射率透镜中引入衍射光学元件实现折衍射混合透镜消色差方法.结果表明,正负折射率材料透镜组合消色差方法中正折射率材料透镜承担几乎全部光焦度,进而引入大量额外单色像差,但利用衍射光学元件可以在不引入额外像差的同时实现负折射率透镜的消色差.根据负折射率材料在介质与空气分界面的特殊折射特性,推导了以负折射率为基底的衍射光学元件的衍射效率公式,得到衍射微结构高度公式,求出不同波长处的衍射效率值.负折射率二元衍射光学元件在设计波长0.912 μm处衍射效率为40.53％,在波长0.848 μm处的衍射效率为35.06％,在波长1.114 μm处的衍射效率值为39.83％.     

折衍射混合复消色差望远物镜中的色球差

一个正透镜、一个负透镜及一个衍射光学元件以不同的组合可以构成两种折衍射混合光学系统.当这两种系统消球差、彗差及复消色差后会产生不同的色球差.通过赛德尔像差理论,分析了这两种结构产生不同色球差的原因.计算表明当衍射光学元件以负透镜的平面为基底时产生的色球差为以正透镜的平面为基底时产生的色球差的7倍.对衍射光学元件以负透镜的平面为基底的情形,提出了减小系统色球差的解决办法,使系统色球差减小到0.307 mm.另外设计了一个传统复消色差光学系统,并和折衍射混合光学系统进行了比较,分析表明,衍射光学元件可代替传统光学系统中的特殊光学材料并使系统达到相同的成像质量.最后讨论了衍射光学元件的衍射效率对系统成像质量的影响.     

无衍射光束提高成像系统分辨率

设计了一种在非相干光源下利用轴棱锥产生的无衍射光束成像系统.基于衍射积分理论与点扩散函数推导出成像系统分辨率的表达式,利用光学软件对无衍射光束成像系统的初始结构模型进行仿真,并以蓝光LED作为光源,将条纹状物体、透镜组以及轴棱锥等光学元件组合为成像系统进行实验.结果表明:实验结果与理论分析相符,即非相干光源无衍射Bessel光束成像系统利用无衍射光束的特性能够提高成像分辨率.     

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。     

基于单一元件产生太赫兹无衍射波束技术研究

提出了一种新型的光学元件,可以产生与元件具有一定距离的无衍射波束。普通轴棱锥的横截面为等腰三角形,通过在两个腰上限定抛物线进行元件设计,采用3D打印技术制作了不同结构参数的光学元件。角谱理论的仿真计算结果以及在0.1 THz频率下进行的实验结果,都清晰地表明了产生的无衍射波束与元件之间具有一定距离。利用空间频谱对元件的波束行为进行分析,结果表明,该元件产生了一种新型的无衍射波束,根据元件的空频形状,将元件产生的无衍射波束命名为“梳状空频无衍射波束”。     

Generation of a radially polarized laser beam by use of a conical Brewster prism

To generate a radially polarized laser beam we designed and fabricated a new Brewster optical element that consists of convex and concave conical prisms. The lateral surface of the convex conical prism was coated with a dielectric multilayer (SiO2 and Ta2O5) to enhance polarization selectivity. By combining two prisms we obtained a conical Brewster prism without beam divergence owing to refraction. A radially polarized TEM01* (R-TEM01*) mode laser beam was demonstrated when this prism was used inside a Nd:YAG laser cavity.     

参数可控长距无衍射光束的生成方法研究

为了消除光学器件几何参数对无衍射光束传播特性调整的限制,实现长距空间中无衍射光束传播时特性参数的可控性,首先,通过研究axicon折射阴影区的电场分布特征,发现axicon无衍射区外过临界面后的近轴区域虽处于几何折射阴影近轴区域内,但仍存在光强服从第一类零阶贝赛尔函数分布的球面波;以此为基础,提出了一种不受传播空间距离限制的无衍射光束的生成方式;最后,在近12 m的尺度范围内进行无衍射光传播特性参数测试,发现其实验参数与理论计算值的差值不超过0.1μm。该无衍射光通过对第一类零阶贝塞尔函数分布的球面衍射光斑准直生成,本质上区别于传统的干涉无衍射光束生成方式,易于生成大尺度空间无衍射光束。该无衍射光生成方式适合用于非能量使用情况下大尺度空间的直线基准、光束空间通讯等领域,具有较大的价值与意义。     

Prism Material Dispersion Effects on the Total Dispersion of Prism Pair System

ＰｒｉｓｍＭａｔｅｒｉａｌＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎＥｆｅｃｔｓｏｎｔｈｅＴｏｔａｌＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆＰｒｉｓｍＰａｉｒＳｙｓｔｅｍＳＵＮＨｏｎｇＷＡＮＧＣｈｉｎｇｙｕｅ（ＵｌｔｒａｆａｓｔＬａｓｅｒＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＣｏｌｅｇｅｏｆＰｒｅ...     

A thin-film prism as a beam separator for multimode guided waves in integrated optics

We discuss a new application of a thin-film prism as a beam separator for multimode guided waves in integrated optics. For each mode of propagation, the angle of deflection by the thin-film prism is different and each deflected beam can be processed subsequently. Deflection angles for different modes can be predicted by using the concept of effective index of refraction. The thickness and index of refraction of the guiding film are determined simultaneously by measuring the coupling angles of the laser beam and a simple graphical method. Calculated and observed angles of deflection are in good agreement. The thin-film prism is made by using preferential etching technique in order to obtain linear, well defined, tapered edges. Furthermore, silicon is used as the base material for possible future integration of optical and electronic components.     

Electric Field Enhancement of Nano Gap of Silver Prisms

Using numerical calculation, we examine the effects of gap distance of a pair of nano gap silver prisms with rounded corners on the local light intensity enhancement. Two peaks due to localized surface plasmon （LSP） excitation are observed in a wavelength range from 900nm to 300nm. The results demonstrate that peaks at a longer and a shorter wavelength corresponded to dipole-like and quadrupole-like LSP resonances, respectively. It is found that a gap distance up to 20 nm provides larger light intensity enhancement than that of a single silver nano prism with rounded corners. Furthermore, nano gap silver prisms are fabricated by direct focused ion beam processing, and we measure the scattering light spectrum of a pair of nano prisms by a confocal optical system. However, the two LSP peaks are not observed in visible range because the sizes of the nano gap and prisms are too large.     

星间激光通信光束微弧度跟瞄性能检测装置的设计原理

基于矢量折射定理,研究了透射光束通过双棱镜实现微弧度量级偏转的设计原理,解决了星间激光通信精跟瞄检测的难题。推导了正交双棱镜实现光束偏转的精确公式,提出以水平张角和垂直张角表达光束视场,并说明了单棱镜实现光束偏转的一般情况。根据设计指标和计算结果确定了棱镜的主要参量,进而对光束的偏转结果进行了数值模拟。最后的实验结果与模拟结果基本一致。结果表明:取棱镜棱角α为4°时,棱镜每旋转1′,透射光束变化约1μrad;分别控制双棱镜在其最小偏向角一侧小角度偏转,可以实现光束在水平方向和垂直方向500μrad范围内的精确扫描,装置的扫描精度可以达到0.2μrad。     

等腰直角棱镜反射方程的推导及其在瞄准中的应用

本文对等腰直角棱镜的工作特性进行了简要分析，利用矢量形式的光的折射和反射定律建立了等腰直角棱镜的反射方程，并据此对其在瞄准中的应用进行了分析，得到了瞄准时基准光仰角对入射光和反射光的夹角及棱镜有效面积的影响规律。