多元件谐振腔模式的有限元传输矩阵分析方法

建立了多元件谐振腔本征模的有限元传输矩阵模型。提出了模式计算相对误差概念及相应表达式,该表达式在数值上不受菲涅耳数的影响,能够很好反映有限单元划分方案对不同菲涅耳数的谐振腔的模式计算精度的影响。提出了有限单元划分精细度的概念和相应表达式,用以表征有限单元划分的精细程度。该表达式以菲涅耳数作为有限元传输矩阵法对腔镜单元格数划分的相对要求,用镜面实际划分的单元格数与菲涅耳数的比值来表征有限单元划分的精细程度。分析了不同谐振腔参数变化时模式计算相对误差与有限单元划分精细度的关系,建立了3种不同函数形式的经验表达式,并通过比较拟合残差选择了拟合效果较好的表达式。     

环状光束通过像散透镜的变换特性

 基于Tovar提出的平顶多高斯光束模型,给出了环状光束模型。利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分理论,对环状光束通过像散透镜后的传输和聚焦特性进行计算和分析,并讨论了透镜像散对环状光束经透镜变换后对光束质量的影响。研究结果表明:环状光束通过像散透镜后变为非旋转对称光束;聚焦光强随着透镜像散系数的增大而逐渐减弱,聚焦光斑的方位仅由像散系数确定;在光束阶数和入射光波波长一定的情况下,环状光束通过像散透镜的变换特性和光束质量不仅与透镜像散系数有关,还与系统菲涅耳数有关,像散系数增大或菲涅耳数减小时,光束质量变差。     

宽频带激光自由空间传输的调制特性研究

基于惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,研究了宽带光束在菲涅耳衍射区的自由空间传输特性,得到宽带光束传输的调制深度与光束带宽Δλ及菲涅耳数F的变化关系。结果表明:一定的带宽对光束的均匀性有适当的改善;当光束的带宽Δλ<2λ0/F时,带宽越大,光束越均匀;当带宽满足条件Δλ=2λ0/F时,菲涅耳衍射完全消失;在一定的菲涅耳数范围内,宽带光束的调制深度随菲涅耳数振荡变化,振荡曲线的主极大值和次极大值分别出现在菲涅耳数为奇数和偶数处,而极小值则出现在菲涅耳数F=2k±1/3(k=1,2,3,…)处,在极小值处光束的均匀性最好。     

应用反射型球面菲涅耳波带片的成像物镜设计

设计了一种应用球面菲涅耳波带反射面与非球面反射面结合的成像物镜。对球面结构的菲涅耳波带反射面进行分析,推导了球面菲涅耳波带反射面近似替代非球面的方法,采用单片球面菲涅耳波带反射面和三片非球面反射面设计成像物镜,在放大倍数100×、视场角120°、菲涅耳数2.5情况下,调制传递函数在放大成像侧可实现0.6 lp/mm的40%以上,畸变小于2.2%。该设计方法为菲涅耳波带片应用于可见光成像提供了参考,并随着菲涅耳器件加工技术的不断发展具有良好的应用前景。     

光波在左右手系材料界面处的传输特性

根据电磁场理论推导了左、右手系材料界面处菲涅耳公式及菲涅耳系数的角度表达形式,研究了界面处反射系数和透射系数的变化情况,以及布鲁斯特角的确定和全反射时的光学特性,作为进一步研究左手系的特性和相关光学薄膜器件设计的理论基础.     

纯水的激光反射率的研究

以纯水为研究对象,利用激光测量了其反射率,并利用菲涅耳公式对反射率进行了计算。比较反射率的计算值和实测值发现有明显的偏离（偏离相对值为8．317％）。对此进行了误差分析,排除这种偏离是主要由试验和计算误差引起的可能性（这些误差累积不会超过1．083％）。利用带消光系数的反射率菲涅耳公式进行修正计算,反射率计算结果与实测值很接近。说明并非只有金属等物质在进行反射率计算时需考虑能量吸收的问题,对于完全符合菲涅尔公式适用条件的纯水来说,在进行反射率计算时同样需引入修正系数。     

菲涅耳-基尔霍夫积分与半波带法分析衍射光谱

惠更斯菲 涅耳原理指出光的衍射本质是无穷多次波的相干叠加.在研究衍射光谱的强度时可使用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分进行计算,但该积分的计算较为复杂.为了简化计算而引入菲涅耳半波带的概念,把积分运算简化为振幅矢量的叠加,从而在研究衍射时由菲涅耳-基尔霍夫衍射积分过渡到菲涅耳半波带法.在菲涅耳半波带法中波前上相邻两个半波带到达叠加点的光程差为半个波长,从而导致相位差π.因此相邻两个半波带引起的振动在叠加点发生相消,最终叠加点的光强由发出次波的半波带数目的奇偶性决定.奇数个半波带在叠加点的光强得到加强,偶数个半波带在叠加点的光强发生相消.     

大气湍流中目标尺寸对回波闪烁残余指数影响的数值研究

综合利用了Rytov方法和广义惠更斯菲涅耳原理推导了水平及斜程路径上粗糙目标回波残余闪烁指数的表达式,并利用数值方法计算了不同波长球面波及平面波入射情况下的残余闪烁指数,其结果与分步傅里叶算法模拟的结果相吻合,证明了该理论的正确性。分析了残余闪烁指数与目标直径、传播距离的关系,证明了残余闪烁指数等于被目标孔径平滑了的入射波闪烁指数。     

二元相位菲涅尔波带片近场俘获高低折射率粒子（英文）

采用双环形涡旋偏振光照射二元相位亚波长菲涅耳波带片的方法,实现了对高低折射率瑞利(Rayleigh)粒子的近场俘获.利用角谱理论计算了菲涅耳波带片的衍射场分布.改变入射光的截断参数(β)和涡旋角(δ),可以在菲涅耳波带片的近场区域产生亮斑和暗斑.计算发现,当β=1.09和δ=0时,在近场区域产生亚波长三维亮斑,能够稳定俘获19nm的金粒子,金粒子的折射率大于周围介质,轴向和横向俘获距离分别为0.4921λ和0.2844λ.当β=1.45和δ=0.414π时,在近场区域产生光墙包围着的三维暗斑,可以将30nm的空气泡稳定地俘获在暗斑中心,空气泡的折射率小于周围介质的折射率.两种情况计算所得的俘获距离均小于传统远场俘获系统中的距离.该系统可以用来精确俘获两类折射率不同的Rayleigh粒子.     

利用光学薄膜模型研究垂直腔面发射激光器的光学特性

可以把垂直腔面发射激光器看作是多层光学薄膜,应用光学薄膜原理对其光学薄膜的特性进行了研究。计算分析了布拉格反射镜和谐振腔模的反射谱受器件结构变化的影响。通过利用菲涅耳系数矩阵法计算,得到了光在垂直腔面发射激光器器件结构中形成的驻波场分布。结果表明,利用菲涅耳系数矩阵法设计垂直腔面发射激光器的光学薄膜是一种快捷准确的方法。     

关于菲涅耳衍射图样相似性的分析与讨论

与夫琅禾费衍射不同,菲涅耳衍射图样对于给定波长,当衍射距离变化或输入图像几何缩放时一般都不具有相似性.但我们的分析表明,若波长、衍射距离和输入图像几何线度诸参数满足一定关系,或对于某些特殊类型孔径,菲涅耳衍射图样有可能彼此相似.本文导出了在上述诸参数发生变化时菲涅耳衍射图样保持相似性的普适条件,以及此时衍射图样大小与诸参数的定量关系,并对包括圆孔衍射和直边衍射等情况都得到了一系列有价值的推论.     

柱面球差透镜聚焦部分相干光束的焦移

通过定义聚焦光束的等效菲涅耳数,研究了部分相干光经柱面球差透镜聚焦后的轴上光强分布,得到了相对焦移的简单公式,即相对焦移反比于等效菲涅耳数的平方.结果表明,这种基于等效菲涅耳数的计算聚焦光学系统的焦移方法是计算部分相干光束经球差透镜聚焦相对焦移简单且有效方法.还讨论了一种特殊等效菲涅耳数为纯虚数情况.结果证明,在这种情况下,该相对焦移简单公式仍然有效.     

湍流大气中光波闪烁的圆环孔径平均因子

利用弱起伏条件下球面波在大气湍流中传输的光强起伏(闪烁)理论和圆环孔径滤波函数,获得了圆环孔径平均因子的精确表达式。将圆环孔径平均因子关于一个无量纲参量(孔径半径与菲涅耳尺度的比值)拟合成2阶多项式,再找出多项式系数与孔径内外径之比的函数关系,获得了圆环孔径平均因子关于该参量和孔径内外径之比的函数关系式。通过误差分析确定了拟合关系式的适用范围,在此范围内,拟合式与精确式的相对误差小于25%。分别用Tatarskii谱和修正Hill谱分析了湍流内尺度对圆环孔径平均因子的影响,结果显示:在其他条件不变的情况下,内尺度越大,孔径平均效应相对越小。     

基于二维矩形SiO2光子晶体光栅的研究

 为解决光学系统中普遍存在的菲涅耳反射问题,提高光的透射率,设计了一种二维矩形SiO2光子晶体结构光栅。采用勒让德多项式展开法对该结构在可见 近红外波长范围入射光波的透射率进行了模拟计算,寻找到了合适的占空比e、光栅深度h和基底厚度d,使得光栅的透射率在入射角为0～60°范围内、入射波长在400 nm～1 200 nm范围内变化时,其透射率的变化相对稳定,透射率的平均值可达到96%以上。     

斜程大气湍流中激光回波的闪烁指数

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R大气折射率结构常数模型,考虑内尺度及从发射机到目标和从目标到接收机双斜程路径影响的条件下,应用修正Hill湍流折射率起伏功率谱,对反射器目标激光回波闪烁指数进行了研究。推导了回波闪烁指数随菲涅耳率的变化关系,数值分析了不同内尺度、传输距离、激光波长以及目标高度对回波闪烁指数的影响。结果表明:内尺度和目标高度对回波闪烁指数的影响要远大于波长和传输距离的影响。     

高能激光准直传输远场斯特雷尔比与数值验证

利用扩展惠更斯-菲涅耳原理对高能激光在大气中的传输进行了分析,获得了高能激光准直传输轴上及峰值斯特雷尔比的积分表达式,并使用激光大气传输四维仿真程序对该表达式的适用范围进行了分析及数值模拟验证。结果表明,积分表达式可以很好地适用于无自适应光学系统补偿时的高能激光湍流热晕传输问题,可以用于自适应光学系统补偿时弱热晕条件下的湍流热晕角非等晕问题和弱热晕及中等热晕条件下的湍流热晕聚焦非等晕问题。     

基于菲涅耳透镜阵列的红外气体传感器

菲涅耳透镜同时具有分光与会聚特性, 且体积小、重量轻和易复制, 使其在光谱检测中得到逐步应用, 但典型光谱成像仪采用菲涅耳透镜沿光轴扫描的方法来获得连续谱线, 不利于光谱仪的稳定性。考虑到气体探测需求, 选用多通道方式来获得多光谱, 提出了一种基于菲涅耳透镜阵列的新型红外气体传感器, 可实现吸收波长在3～5 μm的CO2,CO,CH4,SO2气体的实时检测。利用球面波的传输理论和瑞利判据, 推导了菲涅耳透镜光谱分辨率与透镜结构参数之间的函数关系, 并以光谱分辨率小于50nm为性能指标, 对1μm工艺的8台阶菲涅耳透镜阵列的结构参数进行了计算和误差分析。结果表明, 透镜阵列所需焦距为47.84 mm, 平均数值孔径大于0.4。     

拼接菲涅耳透镜子镜失调误差分析

大口径菲涅耳透镜由多个子镜拼接而成,子镜失调误差会影响拼接菲涅耳透镜的成像质量,以瑞利判据作为评价标准,根据菲涅耳透镜波前像差理论,分析了拼接菲涅耳透镜子镜各个自由度失调误差公差允限,给出了理论计算公式。分析表明:拼接菲涅耳透镜F数越大,各自由度失调误差公差允限越宽松。采用Zemax软件进行理论仿真,利用干涉仪对拼接波前进行实验检测,检测结果显示,拼接波前与理论计算最大误差为0.006λ,验证了理论的正确性。分析结果为拼接菲涅耳透镜光机设计、检测与装调提供了理论依据与指导。     

信息光学视角下菲涅耳双棱镜干涉的研究

菲涅耳双棱镜干涉在相衬成像和全息显微术中有重要应用。为了促进其应用,本文从信息光学角度研究双棱镜干涉,首先利用光场与脉冲响应函数之间的关系,理论导出了菲涅耳双棱镜干涉条纹强度公式,分析并讨论了狭缝缝宽及狭缝到双棱镜距离对菲涅耳双棱镜干涉条纹的影响,狭缝宽度大于0. 1 mm时,干涉条纹分辨率变差。接着给出了改变狭缝宽度(变化量为0. 08 mm)和改变狭缝到双棱镜的距离(从8 cm变化到12 cm)的实验结果,理论分析和实验结果一致。该结果有助于促进菲涅耳双棱镜干涉在相衬成像等领域的应用。     

部分相干电磁光束的焦移

 基于有效菲涅耳数的概念,给出一种简单的表达式来评估部分相干电磁光束经圆形光阑透镜后所产生的相对焦移,对部分相干电磁光束经透镜聚焦的情况进行了研究。结果表明:当交叉谱密度函数的非对角元素为零时,有效菲涅耳数不仅依赖于真实的菲涅耳数大小,而且依赖于光束的偏振分布和入射部分相干电磁光束两个偏振分量的空间相干长度;相对焦移量仅由等效菲涅耳数决定。将此方法与数值积分法进行的比较表明,等效菲涅耳数可以简单、准确地评估焦移。