液体表面光场环状暗斑效应及折射率测量

实验发现透过液体介质的光场出现了一环状暗斑效应。进一步研究表明,该效应是由于光在液体介质表面发生全反射引起的,环状暗斑半径的大小与液体折射率和液体厚度有关,当液体折射率一定时,液体厚度越厚,暗斑半径越大;光液体厚度一定时,折射率越大,暗斑半径越小。进而建立了环状暗斑半径与液体折射率之间的关系,提出了一种测量液体折射率的新方法。     

液体薄膜遮光效应的研究

当激光束通过静态液体薄膜时,由于表面的全反射效应能够观察到液体薄膜的遮光效应.在此基础上,以白光为光源研究了液体薄膜的遮光效应.结果显示,白光光源的遮光图样非常清晰,且无激光散斑效应|遮光图样的中心是一个光强极强的亮域,该区域的外部为两个同心的环状暗场,两个暗场之间是亮场,亮暗边界十分清楚|液体薄膜遮光图样的半径大小与液体的折射率有关,液体折射率越大,遮光图样的半径越大.本文给出了液体薄膜遮光半径与液体折射率的解析关系,分析了遮光图样产生的必要与充分条件,并根据液体薄膜的遮光效应,建立了一种测量液体折射率的新方法,测量了纯净水的折射率.结果表明,该测量值与传统方法所测折射率的值相吻合且该方法具有设备简单、操作简便、重复性好、准确度高等特点.     

液体表面的遮光效应及其应用

首次发现了液体介质表面的遮光效应,讨论了遮光半径与液体介质性质的关系.基于这一发现,建立了一种测量液体折射率的新方法,该方法具有实时、自动化、高精度等特点.     

基于遮光效应测量液体折射率

分析了水槽底面上形成的圆形暗斑的机理,建立了圆形暗斑图像与液体折射率之间的解析关系,提出基于遮光效应测量液体折射率的方法,可实现液体折射率原位、非接触测量.利用该方法测量了无水乙醇、丙酮和乙醚透明液体的折射率.结果表明,该方法的测量精确度与商用的数字阿贝折射仪相当.     

双层介质球体所受光作用力的分析与计算

计算了双层介质球体的光作用力.结果表明,双层结构内外层相对折秧经和相对厚度的变化都将影响光作用力的大小.特别是当内层折射率大于外层折射率时,减小内层半径可得到一较小区域,在此区域光镊系统刚度将得到有效提高,可实现对双层介质球体的稳定束缚;而当内层折射率小于外层折射率时,随内层半径的减小,介质小球可能有两个稳定平衡点出现.     

高斯光束经表面有缺陷的厚非线性介质的传输特性

光学元件上存在的缺陷会对传输光束产生局域振幅和位相调制. 基于衍射理论模型和分步傅里叶算法,模拟分析了高斯光束经过表面有缺陷的非线性介质的传输过程中于介质内及从介质出射后在自由空气的传输特性, 并详细研究了在厚介质前表面有缺陷的情况下,介质中和自由空气中的光强分布演化规律. 研究表明,介质厚度越长、介质的非线性折射率越大,光束整体聚焦越厉害, 聚焦点离介质后表面越近.光束受调制点的位置离中心越近,光束分裂成丝产生的局部光强越大, 且介质表面存在缺陷将使通过的光束在介质后表面处产生一个很大的光强, 相位调制型缺陷产生的这一光强点比振幅调制型缺陷产生的光强点更强.     

克尔介质表面缺陷对高斯-谢尔模型光束的调制

利用惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导了高斯-谢尔模型光束经非线性克尔介质的表面缺陷调制后的交叉谱密度公式,研究了受调制高斯-谢尔光束的光强演化特性。数值模拟表明:缺陷也可导致部分相干光束在介质后表面产生一个极强点,缺陷越大,极强点越远离介质。非线性折射率为正值或负值的介质也分别使部分相干光束发生会聚或发散现象。空间相干长度越长以及附加相移和缺陷尺寸越大,光场受调制越厉害。     

二维光子晶体层状超晶格透射特性研究

把平面波展开法(Plane Wave Expansion Method,PWM)用于数值研究圆柱柱体粗细及折射率层状间隔构成的二维光子晶体超晶格的传输特性.数值结果表明,层状超晶格的透射谱中禁带宽度在柱体折射率相同时与粗细柱体半径差异成线性关系,半径相差越大禁带宽度越小,禁带中心位置越向低频方向移动.在半径相同时禁带宽度与层间折射率差异同样成线性关系,折射率相差越大禁带宽度越小,禁带中心位置越向低频方向移动.因此人们可以根据实际应用中的禁带需要利用上述各种可调因素进行调节.     

非线性介质表面缺陷对激光光场的调制

以高斯光束为例,研究了非线性介质表面振幅调制型缺陷对光场的调制。基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分并采用泰勒级数展开方法,建立了高斯光束经过表面存在缺陷的非线性介质后的传输模型,得到了受缺陷调制光束经非线性介质后的光强分布解析式,研究了缺陷尺寸和光束在非线性介质中产生的附加相移大小对光强分布的影响,结果表明介质表面的缺陷尺寸越大,介质内产生的附加相移越大,光场受到的调制越严重。分别考虑了非线性折射率为正值和为负值的情况,研究发现相应的折射率值导致光束发生会聚或发散现象,并由于缺陷调制的作用,在光束传输过程中始终存在一光强极值点,且随着附加相移绝对值的增大光强极值点的峰值也随之增强。     

光纤型热光可调光衰减器的设计及其衰减分析

提出了一种基于热光调节的可调光衰减器结构。该衰减器通过腐蚀光纤包层到一定厚度和长度后,在表面涂覆较大热光系数的聚合物材料得到。从模场变化角度分析了传输光束的衰减与涂覆材料折射率的关系,并从实验上测试了使用不同涂覆材料时的衰减。理论分析与实验结果均表明在涂覆材料折射率略大于原光纤包层材料折射率时,涂覆材料折射率微小的变化将引起传播光束衰减的大幅度变化,并且光纤被腐蚀的长度越长或包层材料剩余厚度越小,衰减越大。因此,由热光系数大、折射率略大于光纤包层的聚合物材料所组成的可调光纤衰减器,具有衰减调节范围大且功耗小、插入损耗小、成本低、低偏振特性、易于与其它光纤器件耦合或集成等特点。     

聚焦光场俘获微球的FDTD分析

基于动量守恒原理,采用2维时域有限差分方法(2D FDTD)建立了激光场对微米量级微球的作用力模型,讨论了入射高斯光场的波长、束腰半径、微球的折射率和半径等对聚焦光场俘获力的影响.结果表明：位于聚焦光场中特定位置的微球可被俘获,当离轴距离增加,俘获力减小.微球所受到的俘获力与微球的折射率有关,当小于环境折射率时(如汽泡),不能形成俘获,而被推离光场.模拟结果与其他文献中报道的实验结果一致. 关键词： 光镊 俘获力 时域差分有限方法(FDTD) 动量守恒     

小尺度表面粗糙度与介质吸收对介质折射率测量的影响（英文）

将介质表面的小尺度粗糙度等效为覆盖在理想光滑表面上的多层等厚折射率渐变的薄膜,并通过特征矩阵计算多层等效膜模型的P光反射率与入射角的关系.将吸收介质的折射率虚部带入菲涅尔公式进行计算.运用COMSOL Mutiphysics软件对表面粗糙度和介质吸收进行建模和仿真计算.计算结果表明,小尺度表面粗糙度与介质吸收都会导致折射率测量产生误差.分别考虑以布儒斯特角和全反角作为折射率测量的手段,为了得到优于10~(-5)的测量准确度,测量表面粗糙介质的折射率时,采用全反角进行判定;测量具有吸收效应的介质折射率时,采用布儒斯特角进行判定.     

克尔效应对高斯光束质量M2因子的影响及抑制

用分步傅里叶方法计算了高斯光束在克尔介质中的传输过程,采用最小均方根办法对光场进行二项式曲线拟合得到光束质量因子,计算结果表明：当B积分在2rad以内,克尔效应越强则它对因子影响越大;同时,它的这种影响能力也受到光束宽度和光束腰平面到克尔介质的距离的两个因素的影响,即光束越宽,影响越小,距离越大,影响反而较小;最后,基于B积分的可叠加性,提出用具有负非线性折射率系数的非线性介质来补偿正克尔效应、降低光束因子,并指出两端补偿是最优的方式之一.     

多层介质中的光自旋霍尔效应研究

本文研究了光束通过多层介质分界面的光自旋霍尔效应. 以三层介质为例,建立了光束通过棱镜-空气-棱镜结构的传输模型,揭示了横移与空气介质的厚度、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系. 发现对某一特定的圆偏振光束,改变两棱镜之间的折射率梯度可以调控横移,反射场与传输场的横移方向取决于折射率梯度. 相对于两层介质来说,高斯光束通过三层介质能明显地增强光自旋霍尔效应. 研究多层介质中光自旋霍尔效应横移的影响因素可为调控和增强光自旋霍尔效应提供理论依据. 关键词： 光自旋霍尔效应 横移 折射率梯度     

太赫兹光脉冲在生物介质中传播的蒙特卡罗法模拟

太赫兹光脉冲照射生物组织,利用蒙特卡罗方法模拟光脉冲在生物介质内的散射传播过程。光脉冲准垂直入射的情况下,得到了介质表面总漫反射率和总漫透射率与介质散射系数、吸收系数、平均散射余弦,以及介质厚度之间的关系;散射系数越大,总漫反射率越大;平均散射余弦值越小,总漫反射率也越大;同时总漫反射光强随着介质厚度的增加而增大,但存在一个极限值。     

粗糙热传导表面下激光介质的热效应

在考虑激光介质与热沉不完全接触导热的情况下,用面热源自适应调整算法计算了激光介质的温度场,研究了其热效应.表面附近相位差存在起伏且深入一定深度使热效应复杂化.随抽运功率的增大,表面附近相位差的起伏增强,而起伏深度变化不明显;接触面积增大,相位差起伏减小,起伏的深度有所减小.抽运功率较小时,热致衍射损耗随抽运功率的增大近似线性增大,高斯光半径越大,增大的斜率越大,当抽运功率增加到一定程度时,热致衍射损耗增大的趋势减缓,半径大的减缓较明显.在抽运光功率变化范围内,半径大的高斯光热致衍射损耗大于半径小的.高斯光半径较小时,接触面积对热致衍射损耗的影响不明显,当高斯光半径较大时,接触面积减小热致衍射损耗增大.     

非线性介质的表面等离子体波导设计和优化

设计了一种基于非线性介质Si-NC/SiO2的混合表面等离子体波导,利用有限元方法定量分析了这种波导所支持基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和有效面积与几何结构参数以及非线性介质的依赖关系.分析结果表明,光场主要被限制在非线性区域,通过调节非线性层的厚度以及非线性比例因子,可以实现模式的有效折射率和传播长度等传输特性参数的调节.固定非线性介质比例因子,有效折射率和传播距离随非线性层厚度增加而增大;固定波导尺寸,有效折射率随比例因子增大而增大,传播距离和有效面积较小.最后,根据分析结果对非线性效应进行优化,优化后波导最优结构尺寸为波导宽度为250nm,非线性材料层厚度为100nm,硅层厚度为150nm.     

小尺度表面粗糙度与介质吸收对介质折射率测量的影响

将介质表面的小尺度粗糙度等效为覆盖在理想光滑表面上的多层等厚折射率渐变的薄膜,并通过特征矩阵计算多层等效膜模型的P光反射率与入射角的关系.将吸收介质的折射率虚部带入菲涅尔公式进行计算.运用COMSOL Mutiphysics软件对表面粗糙度和介质吸收进行建模和仿真计算.计算结果表明,小尺度表面粗糙度与介质吸收都会导致折射率测量产生误差.分别考虑以布儒斯特角和全反角作为折射率测量的手段,为了得到优于10-5的测量准确度,测量表面粗糙介质的折射率时,采用全反角进行判定;测量具有吸收效应的介质折射率时,采用布儒斯特角进行判定.     

表面等离子体激元微盘的优化设计及应用

表面等离子体激元(SPP)微腔具有很高的品质因子和极小的模式体积,在光电子器件研究方面具有重要的应用价值。采用有限元法对表面等离子体激元的金属覆盖介质微盘谐振腔进行理论模拟,研究考虑微盘底半径、介质层厚度及金属膜厚度等参数对微盘表面等离子体模的品质因子及模体积的影响。研究表明,在光通信波段1550nm附近获得高品质因子(1000以上),极低模式体积的表面等离子体微盘。最后研究了利用优化设计的微盘进行折射率传感的应用,获得了高达300nm/RIU的折射率传感灵敏度。     

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.