强激光对传输光学元件热效应的数值模拟研究

强激光通过反射镜、窗口等光学元件传输过程中，光学材料对激光会有微弱的吸收，由此引起光学元件的热畸变，影响传输效率和远场能量集中度。基于三维瞬态热传导方程和弹性应力-应变方程，研究了波长1.315μm非对称环形强激光束辐照下硅反射镜、白宝石窗口的温度、变形和应力的分布规律，特别研究了激光强度、激光输出时间、光束遮拦比、光强分布的空间梯度等对元件热效应的影响；还研究了波长3．8μm非对称空心矩形激光束辐照下氟玻璃窗口温度、变形和应力的分布规律。计算了变形对光束波前位相和光束质量的影响。     

激光辐照ZnSe／MgF2滤光片的热效应研究

介绍了光热光检测方法的基本原理。采用从波长上把泵浦光和检测光分开的方法，利用光热光平行检测技术测量了检测激光通过ZnSe/MgF2滤光片后信号的变化，并用红外热像仪测量了泵浦激光辐照干涉滤光片产生温升随时间的变化。根据干涉滤光片的膜层结构，分析了热效应对干涉滤光片薄膜折射率、膜层光学厚度和透过率的影响。研究结果表明：连续激光辐照ZnSe/MgF2滤光片产生的温升，可使滤光片透射光谱曲线偏高中心滤长，导致其透过率的热致非线性变化。     

吸收-透射界面下正弦折射率介质内辐射换热

对具有吸收-透射性边界面的梯度折射率半透明介质层,建立了介质内热辐射传递与边界面辐射换热的数理模型,并采用数值弯曲光线跟踪法求解介质内的热辐射传递。通过数值模拟,分析了正弦折射率下,边界面的反射特性、吸收率以及介质层光学厚度对介质内热辐射平衡温度场及热流分布的影响。结果表明,边界面的反射特性与吸收率对介质内辐射换热均有重要影响,吸收率的影响与边界面反射特性、介质层光学厚度及环境条件相关,呈现特征不同的作用。     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

锥形梯度折射率激光准直系统的矩阵光学研究

把梯度折射率激光准直系统视为一个整体,采用矩阵光学的方法,研究了高斯光束经锥形梯度折射率激光准直系统的传输特性.讨论了多级密接锥形梯度折射率激光准直系统的设计原理.     

激光在海洋型气溶胶中传输的蒙特卡罗模拟

激光在海洋大气中传输时,由于海洋型气溶胶的散射和吸收,激光能量会不断衰减,影响激光系统的作用效能。基于蒙特卡罗方法,研究了传播距离、能见度和激光束初始均方根半径对到达接收平面处光子空间分布的影响。研究表明,随着传播距离的增加,到达接收平面光子数呈近似线性减少的趋势;随着能见度的增加,到达接收平面光子数一开始迅速增加,然后趋于稳定;随着激光束初始均方根半径的增加,到达接收平面光子数一开始变化不大,然后缓慢减少。此外,在上述几种情形下,均未发现光子空间分布对高斯分布的偏离。研究结果可为分析海洋大气环境对激光器作用效能的影响提供理论依据。     

含负折射率材料的一维光子晶体的光学传输特性

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的光学传输特性.计算了这种含负折射率材料的一维光子晶体的透射谱和色散关系.结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多,并具有狭窄的透射带,从光学薄膜理论的色散关系出发解释了形成上述现象的原因.讨论了在不同的偏振模式下,光以中心波长入射时,反射率随着入射角度的变化关系.发现含负折射率材料的一维光子晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对中心波长的全方位反射.     

星载激光对水下目标通信可行性研究

简要分析了通信信道中各传输介质的特性,确定了合理的传输介质光学参量。并根据一定的通信系统参量,利用蒙特卡罗方法模拟了水下目标接收信号的时间和空间分布。蒙特卡罗估计误差与平均值比值的上限小于0.3%。根据模拟的结果,得出了优化的接收系统采样时隙和接收望远镜视场角,进而计算了接收信噪比。在此基础上,基于激光脉冲的脉冲位置调制(PPM)方式和最大似然检测,计算出通信系统的误码率。研究结果表明,在较恶劣环境条件下,利用星载激光系统可以实现对水下目标的良好通信。     

光学材料 光学晶体、液晶

O734 2005043065 含负折射率材料的一维光子晶体的光学传输特性= Transmission properties of one-dimensional photonic crys- tals containing negative refraction materials[刊,中]／尹承平(南昌大学物理系,江西,南昌(330047)),刘念华／／发光学报,-2005,26(2),-173-177 采用光学传输矩阵方法,模拟研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的光学传输特性,计算了这种含负折射率材料的一维光子晶体的透射谱和色散关系。结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体大得多,并具有狭窄的透射带,从光学薄膜理论的色散关系出发解释了形成上述现象的原因。讨论了在不同的偏振模式下,光以中心波     

蒙特卡罗模拟光通过大气后的时间分布

采用蒙特卡罗方法模拟了光通过光学特性参数不同的大气后透射光时间分布.分析了大气的散射系数、吸收系数、不对称因子及折射率对透射光时间分布的影响.结果表明:透射光时间分布曲线存在两个峰,分别对应子弹光与漫射光.各光学参数界定了子弹光、蛇形光、漫射光的大小和时间范围,并从统计模拟的角度解释了折射率大的大气中难以成像的因为.     

高空高速航空相机光学窗口的热光学分析

分析航空相机光学窗口的热光学特性,选定熔石英作为窗口玻璃的材料,将热流密度加权分配到窗口外表面各个区域,并考虑整个窗口玻璃的辐射来计算其在一个工作循环内的温度分布。高空高速飞行时,气动热使窗口外表面的温度急剧上升,由于熔石英的导热率很小,窗口产生很大的轴向温差,分别取轴向温差55℃,70℃和90℃时的工况计算窗口热变形;光学窗口内、外表面的变形规律为近似球面,计算了其近似曲率半径,计算由面形变化和折射率变化引起的光程差并转化为Zernike多项式;将Zernike多项式系数带入Code V中考核窗口玻璃的光学性能,得到波像差变化量,其像面离焦量为-0.114mm,调制传递函数的下降最大值小于0.01。结果表明,光学窗口满足光学性能的要求。     

热应力双折射介质中的光传输研究

计算了简化的平行平板中的温度和热应力分布,根据光弹性理论得到了介质内部折射率的改变,采用矢量微分算法模拟光线在介质中传输的情况,预测了接收面上的光强分布和条纹形状,程序输出图形和作为对照的光弹性实验的结果符合良好,证明了上述分析方法和光传输计算的正确性,为进一步完善光学系统成像质量提供参考. 关键词： 光弹性 应力双折射 光线追迹     

光纤式微液滴光学检测与计数单元仿真分析

为实现微流控芯片上微液滴的检测与计数，设计了光纤式检测与计数单元，使用TracePro软件进行建模仿真以便为检测信号处理提供依据。根据液滴通过检测区域时引起的光强变化来实现计数，分析了照明光束准直性、液滴尺寸、液滴相对溶液折射率以及接收光纤相距芯片距离对光强变化的影响。仿真实验结果表明，照明光束准直性越差，液滴半径越大，相对溶液折射率越低，接收光纤距离越近，相对光强变化越明显，并且液滴大小决定着光强变化曲线中是否会出现双波谷现象，液滴半径小于13 μm时，液滴检测信号为明显的单波谷，半径大于17 μm时，液滴信号为明显双波谷。根据仿真结果提出了检测信号的处理方法，表明该单元可以实现微流控芯片上微液滴的检测与计数功能。     

Influence of acoustic leakage at fluid–solid interface on interferometric detection of surface acoustic wave

When using laser interferometer to detect surface acoustic wave at fluid–solid interface, there are two factors which will cause the optical path length variation of the probe laser beam: interface deformation, and refractive index changes in fluid induced by acoustic leakage. Influence of acoustic leakage on laser interferometric detection for surface acoustic wave is researched here. A metal plate immersed in an infinite fluid is used as a physical model. Interface deformation due to laser-induced acoustic wave and pressure in fluid due to acoustic leakage are computed for select cases by finite element method. The optical path length variation caused by the two factors are calculated respectively and compared. The results show that the influence of acoustic leakage increases with the increasing acoustic impedance matching of fluid and solid, the peak-to-peak of influence degree increases linearly with the increasing acoustic impedance of fluid, and that decreasing the distance between the interferometer and interface can effectively reduce the influence of acoustic leakage.     

激光窗口热透镜效应对光束质量的影响

 分析了高功率激光通过窗口时，引起的窗口热透镜效应及其对激光光束质量的影响。用冲量定理方法，推导了二维热传导方程的广义傅里叶级数解，然后按照平面热应力问题，运用有限元方法数值计算热变形。考虑热变形、折射率随温度变化，忽略光弹性效应，解出出光面的波前相差分布，讨论了远场光束质量。以空心环形光束为例，计算了熔融石英(SiO₂)和白宝石(Al₂O₃)两种常用窗口的温升分布、热变形、波前相差和光束质量，分析了冷却、辐照时间、光强分布的空间梯度和各种材料参数对光束质量的影响。     

离轴球形粒子对高斯波束的散射光通量的计算

利用矢量球谐函数展开的方法,研究了离轴球形粒子对椭圆高斯波束的散射。根据其远区散射场的形式,得出了归一化散射场的斯托克斯参量(散射强度)与颗粒直径、折射率以及散射角的关系。建立了计算离轴球形粒子对高斯波束散射通量的解析模型,计算了散射光在任意散射方向上的光通量,得到了前向任意立体角内散射通量的计算公式,为激光散射探测提供了理论依据。     

激光光源粒子计数器响应曲线对粒子折射率敏感度及多值性的分析

采用激光作光源的光学粒子计数器(L_OPC)克服了白炽灯作光源时使用寿命短、发光强度不稳定、需要经常标定的缺点,但激光波长的单一也带来了一些问题,如响应曲线对折射率敏感度的变化和多值性等问题。利用Mie散射理论,通过数值模拟实验,对L_OPC的这些问题进行了分析,提出了L_OPC实验样机的设计参数。     

Influence of cubic nonlinearity on laser radiation transmission in a photonic crystal with spatially modified media properties

The transfer matrix method was modified to explore the Kerr nonlinearity influence on laser radiation propagation in a one‐dimensional photonic crystal. The suggested spatial distribution of the refractive index allows to remove minibands and to make the transmission curve much steeper. Plain and steep photonic band gap edges are effective in creation of transmission anisotropy of powerful laser radiation. The investigated photonic crystal has a strong anisotropic optical transmission and acts as an optical analog of the electronic diode. (© 2007 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Optical inhomogeneities in ruby crystals

The optical inhomogeneities in ruby laser crystals, resulting from inhomogeneity of the chromium concentration, from various glide paths, and from the presence of disoriented blocks, are investigated. It is shown that the most harmful influence on the characteristics of laser damage is exerted by the axially asymmetrical part of the refractive index distortion due to residual mechanical stresses. A correlation is obtained between the inhomogeneity of the refractive index and the laser beam divergence. A method is proposed for improving the optical inhomogeneity of the ruby laser crystals by high-temperature (diffusion) annealing.Translated from Trudy Ordena Lenina Fizicheskogo Instituta im. P. N. Lebedeva, Vol. 101, pp. 130–147, 1978.