全息光栅曝光系统中空间滤波器孔径与激光束腰关系的选择方法

在全息光栅制作过程中, 由空气悬浮颗粒及光学器件缺陷引起的散射光会被记录在光刻胶上, 既影响光栅衍射效率, 又会带来光栅杂散光. 为消除系统散射光, 需要对激光光束的高频成分进行滤波处理. 但是, 激光光束通过空间滤波器后发生衍射, 进而影响干涉场质量, 因此选择合适的空间滤波器孔径是搭建全息光栅曝光系统的前提条件. 根据标量衍射积分理论, 通过卷积计算滤波光束的振幅分布分析光束的相位变化, 以光束相位突变位置远离光束中心为依据确定滤波器针孔半径与光束束腰半径的比值下限; 根据滤波光束的能量守恒关系, 通过滤波光束的高斯参数变化描述光束的衍射强弱规律, 以光束发生衍射的临界条件确定滤波器针孔半径与光束束腰半径的比值上限. 结果表明, 当空间滤波器针孔半径与激光束腰半径之比满足1.52< a/ω₀<2.2时, 滤波光束曝光区域相位恒定, 光束能量通过率大于99%, 在此区间空间滤波器滤波效果最好.     

光栅衍射型超广角激光告警系统光斑定位方法

成像光斑中心精确定位是光栅衍射型超广角激光告警系统具有高定向准确度和高波长分辨能力的基础.本文分析了光栅衍射型超广角激光告警系统成像光斑特点.针对随激光入射角增大,系统成像光斑畸变为强度近似高斯分布倾斜光斑的问题,提出一种改进型高斯拟合法计算光斑中心,通过仿真模拟和实验测试研究了新方法的定位性能.模拟结果表明,高斯噪音标准差为0.01情况下,光斑长轴与x轴夹角由0°逐渐增大为90°过程中,本文方法的定位误差平均值小于0.005像素,误差标准差小于0.02像素.实验测试表明,实验图像经帧相减和高斯平滑滤波预处理后,光斑长轴与坐标轴方向一致时,本文方法与高斯拟合法的定位结果非常接近,明显优于灰度重心法.光斑倾斜时,本文方法求得的激光入射方向角的误差均值和标准差明显小于灰度重心法和普通高斯拟法.     

焦斑二阶矩半径与光束近场分布的关系

为分析光束振幅畸变和相位畸变对其焦斑二阶矩半径的影响,以光波标量衍射理论中的夫琅和费衍射公式为基础,根据光斑二阶矩半径的定义,推导了直接依赖于光束近场复振幅分布的焦斑二阶矩半径的一般表达式,并进一步推导了直接依赖于光束近场强度分布和相位分布的焦斑二阶矩半径和焦斑二阶矩角半径的表达式.结果表明:畸变光束的焦斑二阶矩角半径...     

超连续谱干涉方法测量古依相移

利用两束超连续光干涉得到的信号,测量了透镜焦点附近飞秒激光脉冲的古依(Gouy)相移。根据得到的光谱干涉信号,利用傅里叶变换得到相对相位值。激光光束在聚焦透镜后的束腰半径可以由成像方法测得。根据测量得到的激光光束束腰半径,用非线性拟合的方法得到了古依相移曲线,拟合曲线与实验结果符合得非常好。给出了古依相位在焦点前后1 mm区域内的移动量。     

基于粒子群算法的超振荡超分辨聚焦声场设计

针对传统声束的衍射极限问题,如何构建具有更高分辨率的聚焦声场,是实现超分辨声成像和声操控领域的重大挑战之一.本文在考虑成像分辨率同时兼顾声场可控制性,提出了一种基于粒子群优化算法的多频超振荡超分辨聚焦声场设计方法.基于常规换能器声场的衍射效应,利用半波带法设计中心频率菲涅耳透镜,并以中心频率为基准在换能器带宽范围内设置多频信号来构建超振荡声场,进一步通过粒子群算法对多频声束的振幅和相位进行优化,在远场构建了焦域半径能够小于中心频率半波长的超振荡声场,还发现其尺寸小于最高频率声场的所形成焦域半径,进一步证明其焦域半径随着中心频率和超振荡频率数的增大而减小.研究结果为可控超分辨声聚焦提供了一种简便易行的方法.     

表面等离子体平面金属透镜及其应用

由于衍射极限的存在,传统光学透镜成像分辨率理论上只能达到入射光波长的一半。通过恢复和增强携带物体细部特征信息的高频倏逝波,基于表面等离子体的平面金属透镜有望突破这种光学衍射极限,实现超分辨成像。本文对平面薄膜式与纳米结构式两类平面金属透镜进行了综述,详细介绍了若干典型平面金属透镜的结构设计、工作机理及其聚焦性能,并对其特点与存在的问题进行了分析与讨论。由于光波在金属中传播时存在一定损耗,如何更高效地增强高频倏逝波信号并转换成传播波,使其参与成像,以更好地实现远场超分辨成像,以及如何进一步增大近场超高分辨率聚焦光斑焦深以及减小远场聚焦光斑尺寸,是表面等离子体平面金属透镜进一步研究的重点。     

提高能量密度的超衍射极限激光光束相位补偿技术

定义了激光光束衍射远场光斑压缩前后的能量比以及能量密度比来衡量超衍射极限激光光束的质量。通过利用反向传递算法设计了合适的补偿相位板,不但对准直放大的单一横模激光光束进行小于光学衍射极限的发散度的压缩,同时又保证光束能量集中于压缩后的远场衍射主瓣中,使压缩后的远场衍射光斑的能量密度增加。给出了相应的实例。这一结论不但解决了光学超分辨中光束压缩与能量损失不可避免这一矛盾,而且为发散度小且能量密度高的超衍射极限激光光束的实验工作以及该类光束的实际应用提供了理论基础。     

基于波面分割及多平面相位恢复的定量相位成像技术

提出了一种基于微透镜阵列分割波前及多平面相位恢复的定量相位成像技术。针对大动态范围的相位物体实现定量相位成像,该技术同时施加了横向波面分割、轴向多衍射平面和多波长照明三种约束。该技术记录了两种不同波长照明下,微透镜阵列焦面附近不同衍射距离的强度分布图,采用多平面相位恢复算法提取透过相位物体的数字复振幅光场,通过双波长数字复振幅光场相位提取算法,实现了大动态范围下的相位物体成像。数字仿真实验中,在640 nm和685 nm的照明下,对相位变化范围大、结构复杂的相位物体进行了模拟仿真,结果表明,该技术可以高效、便捷地实现高精度相位成像。     

高斯光束经相位连续变化型波带片的衍射特性

 根据瑞利-索末菲标量衍射理论分析了相位连续变化型波带片对高斯光束的衍射特性。在高斯光束入射下,对相位连续变化型波带片光轴和焦平面上的太赫兹强度分布特性进行了模拟,分析了入射光束的束腰半径和束腰位置对衍射场的影响,并与平面波入射的情况进行了对比。数值结果显示,相位连续变化型波带片可以实现对高斯分布太赫兹波的聚焦。相位连续变化型波带片的衍射规律与薄透镜的聚焦规律相似。通过合理调整束腰与波带片之间的距离可以保证衍射效率在85%以上。与平面波相比,高斯光束入射下的焦点处中心场强较小,但衍射效率较高。     

受激旋转喇曼散射效应对强紫外激光聚焦特性的影响

采用Maxwell-Bloch-Langevin 方程,建立了强紫外激光在空气传输中的瞬态受激旋转喇曼散射（SRRS）效应模型;利用相位均方根（RMS）梯度描述的随机相位屏表示低频相位畸变,用扰动幅度表征的随机相位屏描述中、高频相位畸变,建立了相位畸变模型.讨论了强紫外激光在空气长程传输中所产生的受激旋转喇曼散射（SRRS）效应对其聚焦光斑形态的变化,定量分析了焦斑半径随入射强紫外激光的空间相位畸变及传输距离的变化.研究结果表明：当传输距离超过阈值条件时,焦斑半径随传输距离的增大而明显增大,且相位畸变越大,焦斑半径也越大.     

激光共聚焦近红外荧光扫描系统光学设计

为了实现对近红外荧光的高分辨率扫描,设计了工作在近红外光谱区的激光共聚焦光学系统。采用结构简单的凹凸双透镜物镜实现了照明光路和发射光路的设计,并采用Zemax软件进行了光学设计和仿真。实验表明:照明光路的聚焦弥散斑小于1 m,照明针孔处的聚焦光斑小于40 m,满足照明针孔的尺寸要求;发射针孔处的聚焦光斑小于10 m,满足探测针孔尺寸要求;同时照明光路和发射光路的MTF曲线的截止频率都分别满足其衍射极限分辨率的要求,照明光路在全视场空间分辨率420 lp/mm处MTF0.08,发射光路在全视场空间频率400 lp/mm处MTF0.07。     

基片衍射对会聚激光驻波场中原子波包几率密度演化的影响

针对激光会聚铬原子沉积实验,运用标量衍射理论,通过数值模拟研究了基片衍射对会聚激光驻波场中原子波包几率密度演化的影响。结果显示基片衍射的影响会随激光中轴线与基片沉积表面距离b0的变化而变化。相对于非衍射情况,衍射效应会提高激光驻波场中会聚平面内原子波包几率密度分布的中心值,同时减小其半峰全宽。当参量b0=－0.2w0(w0为高斯光束的束腰半径)时,原子波包几率密度的会聚平面和基片沉积表面完全重合。此处,衍射时原子波包几率密度分布的中心值为1.26,其半峰全宽为5.62 nm,两者分别为非衍射时的1.1倍和0.94倍。     

Factors affecting focusing performance of continnous phase plate concentration

为提高惯性约束聚变系统中聚焦光斑的能量集中度,分析了在应用过程中影响连续相位板性能的主要误差来源,并建立了相应的数学模型.通过分析得出存在误差时远场焦斑的能量集中度和均方根值,且口径误差、对准误差、振幅畸变误差对连续相位板的聚焦性能影响很小,波前畸变影响能量集中度的权重最大.进一步分析可知:当畸变波前相关长度与连续相位板的最小空间周期(10 mm左右)相当时,畸变波前极大地影响激光的聚焦性能,提高惯性约束聚变系统中畸变波前的相关长度是提高聚焦光斑的能量集中度的有效方法.     

影响连续相位板聚焦性能的主要因素

为提高惯性约束聚变系统中聚焦光斑的能量集中度,分析了在应用过程中影响连续相位板性能的主要误差来源,并建立了相应的数学模型。通过分析得出存在误差时远场焦斑的能量集中度和均方根值,且口径误差、对准误差、振幅畸变误差对连续相位板的聚焦性能影响很小,波前畸变影响能量集中度的权重最大。进一步分析可知:当畸变波前相关长度与连续相位板的最小空间周期（10 mm左右）相当时,畸变波前极大地影响激光的聚焦性能,提高惯性约束聚变系统中畸变波前的相关长度是提高聚焦光斑的能量集中度的有效方法。     

散射介质超衍射极限技术研究进展

综述了已有散射介质超衍射极限聚焦和成像技术的研究现状及进展。首先介绍了这一领域的研究背景及意义,以及已有超衍射极限成像技术的发展现状;然后给出了应用于超衍射极限成像的散射介质定义;其次分析了时间反演技术在声学、微波领域聚焦上的应用,介绍了时间反演法在光学领域超衍射极限聚焦应用中的实现方法,总结了散射介质加入到光学系统中的作用,分析了利用反馈控制调节和光学相位共轭方法进行散射介质超衍射极限聚焦方法的特点;讨论了基于空域和空频域传输矩阵测量的散射介质宽场成像方法及在该目的下的散射介质制备方法;最后给出了散射介质光学超衍射极限成像技术研究前景及展望。     

散射介质超衍射极限技术研究进展

综述了已有散射介质超衍射极限聚焦和成像技术的研究现状及进展。首先介绍了这一领域的研究背景及意义,以及已有超衍射极限成像技术的发展现状;然后给出了应用于超衍射极限成像的散射介质定义;其次分析了时间反演技术在声学、微波领域聚焦上的应用,介绍了时间反演法在光学领域超衍射极限聚焦应用中的实现方法,总结了散射介质加入到光学系统中的作用,分析了利用反馈控制调节和光学相位共轭方法进行散射介质超衍射极限聚焦方法的特点;讨论了基于空域和空频域传输矩阵测量的散射介质宽场成像方法及在该目的下的散射介质制备方法;最后给出了散射介质光学超衍射极限成像技术研究前景及展望。     

拉盖尔高斯径向偏振光高数值孔径聚焦特性

光波在高数值孔径聚焦下焦点区域光强分布呈现出的特殊性质已经被应用到光学显微成像、微粒控制、光存储等领域中.本文基于矢量Deby衍射理论研究了TM01模拉盖尔高斯径向偏振光经高数值孔径聚焦下焦点区域光强分布.通过调节入瞳半径与光束束腰之比,发现拉盖尔高斯径向偏振光光斑由明亮尺寸小光斑变化成环形中空光斑,并且通过光瞳滤波器...     

圆形高斯镜平凹腔腔镜倾斜时光场模式分析

运用边界元素法把圆形高斯镜平凹腔的自再现模的衍射积分方程转化为有限阶矩阵方程。计算了谐振腔在理想情况和高斯反射率平面输出镜倾斜情况下基模的场强分布、相位分布和本征值。研究表明,腔镜倾斜使激光场模式分布沿发生倾斜的方向向镜边缘偏移,而且在腔镜倾斜较严重时模式分布发生畸变,不再是对称的拉盖尔-高斯基模分布。基模本征值随倾斜角增大而变小,光束远场分布变差。减小高斯分布反射率的膜斑半径,则能减弱因倾斜引起的模式畸变。     

激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计

光斑质量直接影响激光位移传感器测量的精度。为了提高激光位移传感器传感探头光学系统的成像质量,设计了传感探头四片式微小型光学系统。本文在理想成像基础上,分析光束在光学系统中能量传递的变化规律,对比光电探测器的感光能力,利用光学设计软件(ZEMAX)实现了激光位移传感器传感探头微小型光学系统的设计。通过理论计算分析,严格控制传感探头孔径光阑的大小,对光学系统进行优化处理,成像最大弥散斑半径低于3. 3μm,空间分辨率120lp/mm以下的传递函数MTF(Modulation Transfer Function)值大于0. 5,光线扇形图的最大像差小于5μm,畸变量低于0. 1859%。该光学系统具有良好的成像效果,可以满足激光位移传感器探测系统对成像系统成像光斑质量的要求,以保证传感器的测量精确度优于5μm。     

Ptychography相位成像及其关键技术进展

Ptychography是近些年快速发展起来的一种新型相位恢复技术,通过对待测样品以小于照明光直径的步长扫描后,利用迭代计算可以重建出照明光和样品复振幅分布,是一种理论分辨率为衍射极限的非透镜相位成像技术。虽然其提出初期受限于基本假定条件,但近些年随着相关研究的跟进,人们对Ptychography算法特性的理解逐渐深入,算法也日趋成熟,在可见光、X射线和电子束等领域已被广泛应用于相位成像、波前诊断和光学计量,因此针对影响重建过程和精度的关键因素,如模态多样化、扫描误差、光斑误差、距离误差、样品厚度不可忽略等进行了总结,并讨论了针对上述问题的关键技术进展。