光学一题

如图一,将像方焦距 的凸透镜沿其表面直径切去宽度为a的部分,然后将两个半块粘结成对切透镜L,并用它来做分波前干涉实验.装置如图二所示,S是波长λ=0.5μ 的单色点光源,测得L右侧正置屏幕上的干涉条纹间距 为0.5mm,且这一数值与屏幕到L的距离无关.试求透镜切去的宽度a.光学一题@潘维济$南开大学     

水下无线光传输系统中Fresnel透镜的聚光性能研究

基于大口径、短焦距Fresnel透镜作为水下无线光传输(UWOT)系统中天线的应用需求,搭建了一套用于测量Fresnel透镜聚光性能的实验装置。采用450 nm和532 nm激光作为测试光源,获得了通光口径为75 mm、焦距为25 mm的Fresnel透镜聚光性能与透镜表面、激光波长、入射角之间的关系曲线,测量了激光入射角对450 nm和532 nm激光聚焦光斑的影响。实验结果表明:在相同的实验条件下,激光通过Fresnel透镜锯齿面的聚光效率要比平滑面高10%～15%;Fresnel透镜对532 nm激光的聚光效率要比450 nm激光高5.4%。随着激光入射角的增加,Fresnel透镜的聚光效率逐渐降低,入射角为0°时的聚光效率比±30°大25%以上。当激光入射角为5°时,450 nm激光聚焦光斑开始发生彗差畸变;当激光入射角增加至15°时,532 nm激光聚焦光斑开始发生彗差畸变。     

用马赫—曾德干涉仪获得分波前干涉的圆形条纹

1引言两相于点光源（或点光源与平行光）在垂直于其连线方向的屏幕上所形成的干涉条纹为圆形条纹.由分振幅干涉装置如迈克尔孙干涉仪、牛顿环仪等可以很容易地产生圆形条纹.但对于分波前干涉装置如杨氏双缝、双棱镜、双面镜、洛埃镜、比累对切透镜等，要产生圆形条纹却非常困难，甚至不可能，即使对于比较特殊的梅斯林透镜也只能产生半圆形的干涉条纹.本文提出了一种实验方法，即对分振幅干涉装置马赫一曾德干涉仪进行适当的改进，使其产生分波前干涉并产生出圆形干涉条纹.对其条纹特点，本文进行了分析.所得到的实验结果与理论分析是一致的…     

基于多光束干涉的长程轮廓仪

为提高长程轮廓仪(LTP)面型检测的精度,提出一种使用波面型等光程多光束分束器的LTP。该分束结构可将入射光束分成若干束等光强等光程的相干光。在理论上分析计算了傅里叶变换(FT)透镜焦平面上干涉条纹的位置和强度分布,探究了零级干涉主极大条纹宽度、振幅和±1级干涉主极大条纹振幅与多光束分束器各结构参数之间的关系。通过选取合适的参数设计了基于多光束干涉原理的新型分束器,并与传统分束器进行了仿真实验比较,设计了测量系统中的准直镜和FT透镜,在Zemax软件中建立了完整的光学系统模型,并对该模型进行了实验验证。结果表明多光束干涉长程轮廓仪可以实现对被测表面斜率的测量,其在探测面上的干涉条纹宽度比传统双光束干涉窄,光强也更加集中,可以提高LTP的测量精度。     

产生多个高光强梯度局域空心光束的理论与实验

在实验中用贝塞尔光束与球面波叠加得到多个具有高强度梯度的局域空心光束(BB)。用衍射理论分析了贝塞尔光束与球面波叠加的光场,借助软件对两光场相干叠加的光强分布进行了模拟,结果表明在球面波的焦点附近能够形成多个高强度梯度的BB。实验中贝塞尔光束和球面波分别用轴棱锥和透镜对平行光聚焦获得,使两光场在同一传播轴上相干叠加,在球面波焦点附近观察到多个BB。通过对比可知,贝塞尔光束与球面波叠加所得BB比用两束贝塞尔光束干涉产生的BB在暗域处具有更大的光强梯度,更有利于稳定的粒子囚禁。     

杨氏双缝实验的扩展

杨氏双缝实验的扩展蒋胜安（长沙电力学校４１００３１）杨氏双缝干涉实验是最基本的干涉实验．它通常用点光源发出的相干球面波通过两个小孔来实现．为了加深同学对干涉的认识，我们将该实验进行了扩展，在两束相干平面波的干涉场中加入透镜，观察现象并予分析．实验装置...     

圆锥透镜对偏轴球面波光束的衍射模式

球面波入射圆锥透镜产生的出射光束中心光斑直径较小且焦深长，适合通讯领域长距离测量和准直。针对实际操作中球面波光束入射时很可能与圆锥透镜的中心轴线发生偏移或倾斜，使衍射光场发生变化，着重研究圆锥透镜对偏轴球面波光束的衍射模式，并通过衍射理论和稳相法分析，研究其径向衍射光场的分布特性。使用半径为15mm，底角为1°的圆锥透镜进行计算机仿真和实验，最后将实验结果与理论分析和仿真结果相比较，证明球面波的曲率半径和出射光束的传输距离越小，偏轴对衍射模式的影响越小。该研究结果表明：在激光通讯等长距离通信中，使用曲率半径小的球面波光束代替平面波入射圆锥透镜，不仅可以扩展焦深，还可以降低偏轴对测量的影响。     

圆锥透镜对倾斜球面波光束的衍射模式

由于球面波入射圆锥透镜所产生的出射光束具有焦深长和中心光斑直径较小的特点,适合激光通信以及长距离测量.在实际使用中,入射球面波很可能与圆锥透镜的光轴发生倾斜.研究了圆锥透镜对倾斜球面波光束的衍射特性,通过基尔霍夫衍射理论以及稳相法分析,分析了其径向衍射光场分布形式,并用计算机进行了仿真.使用了半径为15 mm、底角为1°的圆锥透镜进行实验,并对仿真结果进行了验证.仿真和实验证明,减小入射球面波曲率半径、出射光束传输距离和入射光束倾斜角都可以减弱入射光束倾斜对衍射图的影响.     

完美涡旋光拓扑荷的原位测定

为了实现对完美涡旋光拓扑荷的快速测定,提出了一种同轴干涉测定方法,其基本思路是利用一个空间光调制器同时调制产生完美涡旋光与球面波,调制球面波的发散角使两者发生干涉,利用干涉条纹数来实现拓扑荷数的直接快速测定.理论模拟和实验测定结果表明,利用该方法得到的干涉条纹可以测定完美涡旋光的拓扑荷,包括大小与符号.进一步,利用该方法测量了完美涡旋光阵列与球面波的干涉图样,实现了对每个完美涡旋光的拓扑荷的快速测定.该原位测定方法简单、有效,对于利用完美涡旋光实现轨道角动量控制和信息编码等应用具有参考意义.     

等光强分布的折平板反射聚光系统的实验研究

基于平板玻璃镜反射聚光获得等光强分布的方法,提出了折平板反射聚光太阳能系统的设计方案。推导了平行光聚光公式,可在给定接收截面宽度、倾角和安装高度时,给出一定聚光比所需的反射板数量、宽度、倾角及坐标位置;建立了CCD法测量能流密度分布的测试平台以及聚光光伏实验装置,并对折平板聚光系统进行了实验研究。结果表明,折平板玻璃镜聚光系统可以得到较为均匀的辐射能流密度,并且系统的发电效率也较高。     

基于光束的相干特性拓展双缝实验教学实验内容

对部分相干光束的双缝实验干涉条纹进行了研究。利用转动的毛玻璃以及两个透镜构成了一个简单的产生部分相干光束的光学系统,通过调整毛玻璃与两个透镜的共焦点之间的距离,可以定量地控制光束的相干性。对不同相干性的光束经过双缝干涉之后的光强进行了实验观测,发现光束的相干性会对双缝干涉条纹的衬比度产生影响,光束的相干性越低,条纹衬比度也越小。并对实验结果进行了理论模拟,理论数值模拟的结果与实验观测结果基本一致。     

Mirau相移干涉法测量微透镜阵列面形

基于Mirau相移干涉法,在实验室环境下对微透镜阵列的微表面形貌进行了轮廓测量.实验使用He-Ne激光器作为光源,干涉成像系统由Mirau干涉物镜和其他光学元件组成.在实验中使用压电陶瓷执行器作为相移器,通过5步相移法计算待测表面形貌.实验结果表明,基于Mirau相移干涉法对微透镜阵列面形的测量,水平分辨率达到1.1 μm,垂直测量准确度达到6.33 nm,垂直测量范围为5 μm.对于微透镜阵列的面形测量,通过将微透镜阵列划分为若干微小区域以保证局部面形最大高度小于5 μm,然后辅以精密平移机构进行若干次5步相移法测量局部面形,再利用相位重建所得的数据进行拼接和3D轮廓重建,最终得到整个微透镜阵列的精确微表面形貌.     

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。     

基于全场干涉测量方法的透镜三维轮廓测量

为了满足高精度透镜加工工艺的要求,设计了一套基于全场干涉测量方法的透镜三维轮廓测量系统。已标定的透镜三维轮廓测量系统利用分布式反馈激光二极管对透镜进行波数扫描,对CCD相机采集到的干涉图像依次进行随机采样傅里叶变换和解卷绕算法,最终通过计算得出透镜的三维轮廓数据。实验结果表明:该系统横向和纵向的分辨率均为0.011 3 mm/pixels,深度方向的测量均方根误差为±19.8 nm。系统结构简单、稳定性高,对透镜没有任何接触,不会对透镜表面造成损伤,适用于透镜的高精度轮廓测量。     

点衍射波前无镜头干涉测量中横向偏移误差校正方法

为了最大程度减少误差环节,点衍射球面波前精度的干涉测量中通常采用无镜头测量方式。点衍射干涉波前在大数值孔径与大横向偏移量情况下存在的结构误差将严重影响测量精度,且无法利用传统方法加以校正。针对该问题,提出了一种基于三坐标重构以及对称偏移补偿的点衍射干涉波前测量中结构误差的高精度校正方法,以实现对大数值孔径及大横向偏移点衍射球面波前无镜头成像测量中的结构误差校正。该方法首先采用三坐标重构方法对系统误差进行预校正,再针对干涉中点源横向偏移引入误差存在的对称性,采用对称横向偏移补偿对由三坐标重构误差而引入的残余结构误差进一步校正。分别进行了数值仿真和测量实验对所提出方法的可行性进行了验证。结果表明,该方法达到了λ/10000的校正精度,对于点衍射球面波前高精度测量标定以及非镜头成像干涉检测中结构误差的高精度校正具有重要的应用意义。     

无透镜傅里叶变换及其在三维干涉测量中的应用

对利用无透镜傅里叶交换全息图实现傅里叶交换,以及它在三维干涉测量等方面的应用,进行了分析和研究,并给出了实验结果。     

球面波干涉法测量拉盖尔-高斯光的轨道角动量

采用球面波的拉盖尔-高斯光(LG光)和平面波的基模高斯光干涉的方法 ,可观察到多叶螺旋的干涉图样,螺旋的叶数即是LG光的拓扑荷数,由拓扑荷数可知光子的轨道角动量.利用涡旋相位片产生拓扑荷数1～8的LG光,研究了光强比和偏振条件对干涉图样的影响.为获得高对比度的干涉图样,要求LG光和高斯光的偏振方向相同并且光强基本相等.球面波干涉法用于测量LG光的轨道角动量简单直观,与干涉光强空间分布的细节无关,因此对光强扰动和背景噪声不敏感.     

梅斯林干涉条纹

一实验装置 用两块象方焦距分别为f1和 f2、口径 D1 和D2大致相等的凸薄透镜,将它们沿表面直 径剖开,并各取其一,用胶将剖面粘住,形成一 块共轴横向组合透镜L。如图一所示,L对轴 上的实物单色点光源S在轴上形成两个实象 点S1、S2.显然,在上半圆透镜和下半圆透镜 两束成象光束的叠加区S1HS2内,将会出现 干涉现象.这种干涉和杨氏双孔、洛埃镜、双 面镜、双棱镜、比累剖开透镜等装置相类似,是 一种双光束分波前形式的干涉.原来的梅斯林 (Maslin)干涉装置和图一有些不同,,是将一块 凸薄透镜沿表面直径剖开,并使两半圆透镜共 轴地沿轴向错开…     

用于多结太阳电池的均匀聚光菲涅耳透镜的设计与分析

设计了一种适用于GaInP/GaInAs/Ge多结太阳电池,可在300~1800nm宽光谱范围内实现均匀聚光的菲涅耳透镜。通过实际测试,得到GaInP/GaInAs/Ge多结太阳电池的量子效率图谱和透镜主体材料硅胶的折射率色散曲线,在此基础之上采用多焦点与多设计波长相结合的方法,对菲涅耳透镜进行优化设计。基于该方法建立了几何聚光比为625倍,环距为0.3mm的透镜模型以及聚光效率、均匀性等聚光性能参数的计算模型,并利用蒙特卡罗光线追迹及实验测试的方法对其聚光性能进行分析。研究结果表明,所设计的透镜在300~1800nm宽光谱范围内以及三个子电池的光谱响应波段内都能较好地实现均匀会聚,同时具有较高的聚光效率,聚光分布均匀度高于75%,聚光效率超过80%。     

亚波长衍射微透镜的设计

设计了连续浮雕衍射微透镜和与其等效的二元亚波长衍射微透镜,采用旋转体时域有限差分法对通过计算机辅助设计出的元件进行了严格的矢量分析,给出了各元件在焦平面的场强分布.分析结果表明,本文设计的二元亚波长微透镜对连续浮雕微透镜有很好的等效效果;填充因子的脉冲宽度调制法要优于填充因子的线性近似法;制作相对误差不大时深度误差和宽度误差对微透镜聚光能力的影响不大.