线结构光传感器中非线性光源单向扩展光路设计

为了减小线结构光传感器光源对测量精度的影响 ,设计了一种集整形和能量校正为一体的非线性光源单向扩展光路。应用反高斯分布的液体吸收滤光镜 ,实现了高斯光束强度的径向均匀化。并应用矩形光阑和两个相互垂直放置的柱面镜 ,对准直后的激光束进行整形 ,分别在不同的方向进行拉伸和压缩 ,得到了形状理想的线光源。此技术已成功应用于BGA芯片管脚的三维尺寸测量中。     

高斯光束在克尔型非线性介质中演化的奇异特性

由光束在克尔型吸收介质中传输的非线性薛定谔方程出发,推导了高斯光束注入介质后满足的耦合方程。在不考虑高阶展开项的前提下,将介质分为无吸收、有吸收两种情况,对脉冲的腰斑半径的演化进行了解析分析,得到注入克尔型非线性介质中的高斯光束,形成“孤波”必须满足光束在束腰处注入,介质没有吸收的条件;当考虑高阶展开项时,通过数值分析发现,无论介质是否存在吸收,光束传输不存在“孤波”形式,而是在注入强度的控制之下。当注入强度较小时,自聚焦过程是它的一个主要结果。但当注入脉冲的强度增加后,除了腰斑半径不为零的区间增加,光束仍保持聚焦的正常现象之外,存在一个阈值。当注入强度超过此阈值时,腰斑半径随着距离的增加而快速增加,聚焦趋势根本就不存在。     

超短脉冲经线性小孔阵列衍射时的光谱开关特性

研究了超短高斯脉冲光束经线性排列的矩形光阑阵列衍射后的远场光谱奇变现象。基于菲涅耳积分公式,通过将光阑函数展开为有限项复高斯函数的叠加,得到了超短脉冲光束经线性排列的小孔光阑阵列衍射后的谱强度解析表达式,并对衍射场的光谱红移和蓝移现象进行了数值计算和分析,分析了小孔间距和光阑半径对光谱强度的影响。研究表明:在衍射场的某些观测点,即在调制函数为零的位置附近,存在光谱开关现象。     

超短脉冲经线性小孔阵列衍射时的光谱开关特性

研究了超短高斯脉冲光束经线性排列的矩形光阑阵列衍射后的远场光谱奇变现象。基于菲涅耳积分公式,通过将光阑函数展开为有限项复高斯函数的叠加,得到了超短脉冲光束经线性排列的小孔光阑阵列衍射后的谱强度解析表达式,并对衍射场的光谱红移和蓝移现象进行了数值计算和分析,分析了小孔间距和光阑半径对光谱强度的影响。研究表明：在衍射场的某些观测点,即在调制函数为零的位置附近,存在光谱开关现象。     

基于液晶空间光调制器的光束变换研究

搭建了基于液晶空间光调制器的光束变换光路系统,介绍了一种通过编写程序来实现特定的光束强度分布的方法。利用MATLAB编写了闪耀光栅、菲涅尔透镜、环聚焦透镜、柱面菲涅尔透镜、小孔以及衍射调制板的灰度光栅图,并将其加载于液晶空间光调制器上,成功实现了光束变换。     

浸入式光栅衍射强度图样研究

基于浸入式光栅与普通光栅的特性差异,推导了浸入式光栅的光栅方程,研究了浸入式介质吸收对单缝衍射和多光束干涉强度分布的影响,得到经修正的单缝衍射因子和多光束干涉因子,推导出存在介质吸收情况下的光强分布公式.分析结果表明:该公式更具有普适性,单缝衍射强度分布公式、多缝衍射强度分布公式以及平行平板多光束干涉强度分布公式均为该修正公式的特殊情况.     

高功率固体激光器锥形空间滤波孔应用

锥形空间滤波孔是一种应用于高功率固体激光装置空间滤波的新型结构滤波小孔,其内部光滑的锥形结构可以有效滤除光束中的高频成分且避免等离子堵孔现象的发生。根据神光-Ⅲ主机装置结构特点,设计并加工了适用于主机装置的锥形空间滤波小孔,并开展了应用实验研究。通过与传统的平面结构滤波小孔对比可以看出,锥形小孔有效地避免了等离子体度堵孔现象,在与光束波前补偿技术配合使用条件下,保证光束顺利过孔,并成功实现了基频光7988 J的满能量输出。     

高功率固体激光器锥形空间滤波孔应用

锥形空间滤波孔是一种应用于高功率固体激光装置空间滤波的新型结构滤波小孔,其内部光滑的锥形结构可以有效滤除光束中的高频成分且避免等离子堵孔现象的发生。根据神光-Ⅲ主机装置结构特点,设计并加工了适用于主机装置的锥形空间滤波小孔,并开展了应用实验研究。通过与传统的平面结构滤波小孔对比可以看出,锥形小孔有效地避免了等离子体度堵孔现象,在与光束波前补偿技术配合使用条件下,保证光束顺利过孔,并成功实现了基频光7988 J的满能量输出。     

一种同时测量高斯光束束腰位置和半径的新方法

从高斯光束的横向光强分布特性出发,建立了小孔光阑透过光功率与高斯光束束腰位置、束腰半径、光阑孔径和光阑位置间的关系式。用氦氖激光器、凸透镜、小孔光阑和硅光电池等搭建了一套简单测量装置,利用此装置对同一小孔光阑在高斯光束传播方向上不同位置时的透过光功率进行了测量。用所得的理论公式对实验数据进行拟合,通过拟合出的参数可同时测得高斯光束的束腰位置和半径。测量结果表明,该方法不仅合理、可行,而且具有装置简单、操作方便等优点。     

采用衍射掩模产生白光横向平顶光束

白光横向平顶光束在定向背光式自由立体显示器中有重要应用.本文提出一种采用带蝶形小孔阵列的衍射掩模片获得白光横向平顶光束的方法.根据广义惠更斯-菲涅耳衍射积分和多波长叠加原理,推导出光强分布计算式.设计一套实验装置,数值模拟并实验验证出射光束在不同距离的横向光强分布以及小孔蝶形凹度(蝶形中心高度与边长的比值)对横向光强分布的影响.结果表明:当选择小孔蝶形凹度为0.50—0.66时,可以得到平顶因子F 0.89的白光横向平顶光束,横向平顶光束的宽度随着传输距离的增大而增大,而平顶因子基本不变.实验还发现柱面透镜的折射色散和衍射色散可以互相抵消,使白光横向平顶光束基本无色散.     

二元振幅型面板用于光束空间整形

为了提高高功率激光系统的整体效率和充分利用光能,需要对前端注入的高斯光束进行空间整形,实现驱动器终端激光的均匀化输出.采用振幅型二元面板对激光光束进行空间强度整形,利用误差扩散法进行了理论设计,数值摸拟了整形效果,同时讨论了面板加工误差以及空间滤波器的小孔大小等因素带来的影响.根据理论设计,分别加工了反高斯透射率分布和抛物线透射率分布的二元面板,并进行了整形实验,实现了各自的整形功能,并做了误差分析.实验让明二元面板能对激光光束的空间强度分布实现了精确的整形.     

光束在左手材料中的强度和相位旋转特性

建立了左手材料中拉盖尔高斯光束传输模型,通过研究拉盖尔高斯光束的相位分布来分析光束的强度旋转特性。具体分析了光束参数模式、Gouy相、频率和色散对光束强度和相位旋转特性的影响。研究发现:方位角相差是导致光束强度旋转的主要原因;负折射率引起的逆的Gouy相移将会导致光束强度反转;在正常色散区左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相同的,而在反常色散区,左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相反的。     

光束在左手材料中的强度和相位旋转特性

建立了左手材料中拉盖尔高斯光束传输模型,通过研究拉盖尔高斯光束的相位分布来分析光束的强度旋转特性。具体分析了光束参数模式、Gouy相、频率和色散对光束强度和相位旋转特性的影响。研究发现:方位角相差是导致光束强度旋转的主要原因;负折射率引起的逆的Gouy相移将会导致光束强度反转;在正常色散区左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相同的,而在反常色散区,左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相反的。     

小于Airy斑的小孔衍射研究

根据博里叶光学传输表达式,利用数值计算方法,首次给出了小于衍用极限的小孔处于夫朗和菲区时,理想光束和像差光束经过它之后的波面相位变化.     

内插光纤对生物组织有限束宽光吸收的影响

考虑到激光间质热疗时激光从内置在组织中的光纤输出且光束为有限宽光束,建立了内插光纤的双层球体组织模型;基于蒙特卡罗法获得无限窄光束在组织内的吸收值,利用入射光强与格林函数进行卷积计算,获得有限宽光束的光传输方程;以高斯光束和平圆光束为例,分别对比分析了考虑与不考虑内插光纤时组织对有限宽光束吸收情况的变化。结果表明:组织对平圆光束的吸收值较小、对高斯光束的吸收值较大,内插光纤对组织吸收平圆光束的影响较小,而对光子出射中心附近组织吸收高斯光束的影响较大。因此,采用高斯光束进行激光间质热疗时应考虑内插光纤对组织吸收光能的影响。所提模型更加接近激光间质热疗的实际情况,对准确预估激光间质热疗的热毁损范围具有重要的意义。     

方形超高斯光束在Kerr介质中的强度演化特性

基于非线性薛定谔方程,采用分步傅里叶算法模拟了方形超高斯光束在Kerr介质中的传输情况,重点分析了方形超高斯光束轴向中心强度与对角方向强度的演化特性,同时还分析了其在Kerr介质中的自聚焦特性、峰值光强变化情况以及B积分变化情况。研究结果表明:方形超高斯光束通过Kerr介质后,距光束中心不同距离处有不同程度的强度增强和凹陷,光束中心附近的强度增强和凹陷较弱,光束边缘以及四角处的强度增强和凹陷较强,且对角方向上的强度增强和凹陷程度要强于轴向中心方向;减小阶数可以减缓光束的边缘强度增强,并可以减缓B积分的增长;减少Kerr介质厚度可以降低光束边缘强度增强程度,并可以减小B积分的大小。提出了光束边缘强度起伏的主要原因可能是光束的相干叠加。     

新型部分相干光束的产生及其相干特性

利用相干理论,研究了新型部分相干光束的相干特性.用激光光束透过旋转的特殊毛玻璃,产生一种相干性分布特殊的新型部分相干光束.实验上经双孔干涉,记录了该光束经不同小孔间距双孔产生的干涉条纹,计算得出所对应的相干度,并获得了该光束在不同传输距离下的相干度分布情况,发现该光束的相干度分布与高斯-谢尔模型光束的相干度分布不相同,其相干度随着传输距离的增大而变强.     

基于可调谐激光吸收光谱技术的多条吸收谱线重建气体浓度二维分布的研究

针对二维气体浓度分布,主要选用多条H₂O的吸收谱线,采用代数迭代重建算法,研究了在激光光束较少且假定温度分布已知的情况下,即不考虑燃烧场中温度对谱线强度的影响时,不同谱线条数对二维浓度重建结果的影响,对比了在同一浓度模型下通过增加激光光束与增加H₂O吸收谱线条数对气体浓度重建结果的影响;研究了增加谱线条数重建气体浓度分布对不同温度与浓度分布模型的适应情况,其中,文中所选取的多条吸收谱线可以由一个激光器同时扫描得到。浓度测量区域采用10×10的网格划分,测量区域中的温度和浓度分布采用单峰不均匀分布与双峰不均匀分布,重建过程中计算了吸收谱线与激光光束的有效利用率。重建结果表明在激光光束较少时,增加吸收谱线条数可以获得更多与浓度相关的谱线参数信息,且与增加激光光束相比可以明显改善浓度重建结果,更主要的是增加谱线条数可以有效降低实验中硬件设备的成本投入以及测量系统的复杂性。     

拟合法测量高斯光束的束腰半径

从高斯光束的横向光强分布特性出发,建立了小孔光阑透过功率与孔径的关系式.采用2种不同拟合方法对高斯光束的束腰半径进行了测量.为减小激光器功率不稳定带来的不利影响,实验中采用双光路进行测量.结果表明,用拟合法测量高斯光束的束腰半径不仅合理,而且可行.     

四瓣高斯光束的Gyrator变换性质和矩形空心光束的产生

基于Gyrator变换,推导了四瓣高斯光束场分布的解析表达式,研究了四瓣高斯光束通过Gyrator变换后的光强分布和相位分布.结果表明:在Gyrator变换过程中,四瓣高斯光束能够转换为具有光涡旋的矩形空心光束,在获得矩形空心光束时其四顶角处光束强度最强,而四条边上的光束强度分布几乎是均匀的.对影响矩形空心光束强度和相位分布的光束参数和变换角进行了详细的分析,发现光束阶数不同,产生不同类型的空心光束;Gyrator变换的变换角则影响空心光束能量分布;空心光束亮环的大小由四瓣高斯光束的束腰宽度决定,束腰宽度越大,矩形空心光束的宽度越小.