Fraunhofer三角孔衍射分析及实验仿真

本文推导了直角三角孔、等腰三角孔、一般三角孔的Fraunhofer衍射场及光强表达式,分析了影响衍射场和光强的参数。利用Matlab7.0对Fraunhofer三角孔衍射图样、光强分布进行了模拟。通过不同三角孔径衍射图样及光强特征的对比,发现不同三角孔径的衍射光束均为三对,衍射光强分布也基本一致,但强度会随着衍射角增大而减弱。通过实验和仿真结果的对比,建议将计算机模拟仿真技术引入光学实验教学,有助于学生对光学衍射现象的准确理解。     

高斯光束照射下与矩孔相关的孔径衍射

依据基尔霍夫衍射理论,利用幂级数展开的方法,推导出傍轴条件下高斯光束的矩孔及单缝衍射的近似计算公式,并通过数值计算、数值模拟等方法对衍射场的基本特性进行了讨论。     

关于由衍射片的背面反射光形成的衍射图样的讨论

在光的衍射实验中,我们看到的一般是由通过衍射片的直射光形成的衍射图样,但在衍射片的另一面,同样存在着另一个衍射图样,它是由衍射片的背面反射光形成的,两个衍射图样关于衍射片对称.本文给出了这种实验现象,并用巴比涅原理解释了这种现象.     

衍射图样的数值模拟

介绍了平面波角谱理论中得到衍射积分公式的方法.用Matlab计算了15×15矩孔阵列近场区域的衍射图样,在距离周期衍射屏特定距离处出现衍射屏的自成像.     

平顶-高斯光束通过圆形与三角形围成孔的衍射

基于Collins公式,对平顶一高斯光束通过圆形与三角形围成孔的衍射特性作了研究,并利用Matlab进行数值模拟．模拟结果表明衍射特性与孔径的大小密切相关．其结果可推广到其他激光光束和围成孔,对研究菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射具有一定的参考价值．     

厄米-高斯光束通过三角形与圆形围成孔的衍射

研究厄米-高斯光束通过三角形与圆形围成孔的衍射特性,用Collins公式分析,用Matlab软件进行一些数值模拟。模拟结果表明：衍射特性与光学系统的参数和孔的大小均密切相关。其结果可推广到其它光束、孔和多光束,对研究菲涅耳衍射和夫琅和费衍射具有一定的参考价值。     

模拟分析光的衍射与干涉

基于物理光学的惠更斯-菲涅耳原理及基尔霍夫积分公式,应用Matlab软件编程模拟了光的单缝衍射和双缝衍射(干涉),从而形象地给出了衍射和干涉的内在区别和联系,也为相关的光学教学设计提供了新思路.     

基于shifrin变换反演粒度分布的理论分析

理论上验证了shifrin变换粒度反演算法。采用Fraunhofer衍射理论计算前向散射光强,并利用shifrin变换进行了粒径反演。模拟结果发现,shifrin变换算法能够反演出被测单一或多分散颗粒群的粒径峰值位置,且随着接收CCD像元总数的增加,反演的准确度也会增大,但是在被反演的峰值周围会存在一定数量的小峰。随着接收衍射角的增大,也能相应地增大反演的粒径范围。中心涂黑一定数目的CCD像元并不会对反演结果造成很大的影响。     

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.     

折射率偏离-1时的平板成像特性及改善

根据基尔霍夫衍射理论,对其衍射公式数值进行积分计算,推导出负折射平板折射率偏离-1时像点附近的光强分布,并用MATLAB画出了相应的光强分布图。研究表明,当折射率偏离-1时,像点附近的光强分布在z方向不再对称,但在x方向依然保持对称,不对称随折射率偏差增大而增大,像点光强变得较分散,且存在伴峰。如果把物点放在对应半径曲面的齐明点处,可以很好地消除球差,但像点位置与n′=-1时有所不同。     

衍射理论公式的诠释与应用

对基尔霍夫衍射理论几个积分公式的导出与使用给予详细说明与解释,并列举了它们的部分应用.     

平行光斜入射光栅(矩孔)的衍射光场

在"衍射光栅光栅常量的测定"实验中用矩孔代替光栅,利用菲涅尔-基尔霍夫积分公式,计算出平行光以任意倾斜角度入射后的光场分布公式,当平行光斜入射且接收屏与矩孔平面平行时,光斑分布图形为双曲线,并结合实验图像和计算机模拟,很好地验证了公式的正确性,解释了实验中观察到的现象.     

微波脉冲与不同形状带矩形孔缝腔体耦合的数值模拟

利用时域有限差分法对微波脉冲与带矩形孔缝的矩形和圆柱形腔体两种系统的线性耦合过程进行了研究。首先用数值方法分析了耦合过程中的场增强现象、脉宽展开现象和腔体调制现象,并发现了耦合过程中微波脉冲存在频谱分离现象。当微波脉冲的电场与孔缝窄边平行时,借助耦合函数对两个系统内部耦合场的分布特性进行了研究,结果表明在与孔缝窄边垂直的平面内,越靠近腔体壁,耦合场越弱。此外,两种腔体内部的耦合场在腔体截面内均呈现准周期振荡分布,矩形腔体内部耦合场振荡的幅值较均匀,而圆柱形腔体内部耦合场幅值在其截面中心附近区域最大;除了孔缝附近区域外,圆柱腔体轴线两端的耦合场远大于矩形腔体相应的耦合场。最后,研究了孔缝耦合共振频率与孔缝尺寸的关系,结果表明系统耦合共振频率不只与孔缝尺寸有关,而是由孔缝尺寸和腔体形状及其对微波脉冲的反射特性共同决定。     

模拟电子衍射的CAI课件

 如何理解微观粒子的波粒二象性,如何将经典观念上对立、排斥的波和粒子两个概念统一于一体,是大学物理教学中的一个难点。电子衍射实验说明电子具有波动性,它是证明德布罗意波存在的重要实验之一,一般的教材都对此作了介绍,并给出了相应的照片。但是,同学们在学习过程中却感到很抽象,对其衍射条纹的形成过程以及电子的波动性和粒子性的统一很难理解。     

波导FEL振荡器的孔耦合输出特性

波长500μm的远红外自由电子激光振荡器,是由平面波导和两个对称金属柱面镜组成的半封闭光腔。由于反射镜具有反射率,在下游镜的轴上开一个半径为Rh的圆孔来输出功率。孔耦合输出是一种简单、有效的输出方式,并可以广谱输出。缺点是抽取率随波长变化,计算很复杂。本文给出了用三维程序数值模拟结果。给出了腔内功率,输出功率,抽取率及腔镜边缘的衍射损失随小孔半径的变化。结果表明,选取适当的孔径,既可以有效地输出功率,又能保持较高的腔内功率和较纯净的腔模。     

离轴像散对高阶贝塞尔光束的影响EI北大核心CSCD

利用螺旋相位板-轴棱锥系统可以产生高阶贝塞尔光束。基于基尔霍夫衍射积分理论,推导了涡旋光斜入射轴棱锥后的衍射光场表达式。分析了光束斜入射引起的像散对轴棱锥聚焦涡旋光产生高阶贝塞尔光束的影响,提出了一种用于检测拓扑电荷数的简单可行的方案。结果表明当轴棱锥出现较小角度的偏转时,所产生的高阶贝塞尔光束出现中心亮环椭圆化;随着偏转角的增加,中心亮环椭圆率增大,并伴有暗核分裂的现象;继续增大偏转角,将发生由内至外的亮环破裂现象,最终形成具有点阵列结构的焦散光束。设计实验对上述结论进行验证,理论分析、数值模拟与实验结果基本吻合。     

孔栅斜置对远场的影响

应用光波叠加原理,通过数值计算方法,分析了孔栅斜置对远场测量的影响。结果表明：孔栅斜置带来附加位相差,导致了远场分布与通常的孔栅竖直放置的不同,给光强(从而功率、光束质量等)的测量带来系统误差。孔栅平面越偏离竖直面,影响越大,且对衍射级越大的光斑的影响也越大。在设计和使用孔栅时,应选取较小的偏离角;在进行功率、光束质量等参数诊断时应选取低级次的衍射斑。     

嵌入式镀膜光栅的数值模拟研究

嵌入式镀膜光栅是将平行四边形的介质膜层,以亚波长量级的周期嵌入波导中.针对该光栅在不同偏振态、不同角度入射下的各级衍射效率问题,本文基于严格耦合波分析理论,对该光栅进行建模与数值分析.结果表明,在TE模入射时,该光栅的一级衍射效率可随膜厚在[0,37％]内变化,其余非零级次的衍射效率低于2％.衍射特性可以满足平视器成像的效率递增要求,同时可以减少能量的损失与杂散成像光线.当入射光束的角度在纵向[45°,70°]、横向[-15°,15°]内变化时,一级衍射效率的变化平稳,可以保持平视器不同视场的成像能量均匀.针对入射光偏振态、光栅材料、嵌入膜层倾角、光栅周期对衍射特性的影响,给出了相应的数值分析,可为波导全息平视器中衍射元件的制作提供理论指导.     

嵌入式镀膜光栅的数值模拟研究

嵌入式镀膜光栅是将平行四边形的介质膜层,以亚波长量级的周期嵌入波导中.针对该光栅在不同偏振态、不同角度入射下的各级衍射效率问题,本文基于严格耦合波分析理论,对该光栅进行建模与数值分析.结果表明,在TE模入射时,该光栅的一级衍射效率可随膜厚在[0, 37%]内变化,其余非零级次的衍射效率低于2%.衍射特性可以满足平视器成像的效率递增要求,同时可以减少能量的损失与杂散成像光线.当入射光束的角度在纵向[45 °,70 °]、横向[-15 °,15 °]内变化时,一级衍射效率的变化平稳,可以保持平视器不同视场的成像能量均匀.针对入射光偏振态、光栅材料、嵌入膜层倾角、光栅周期对衍射特性的影响,给出了相应的数值分析,可为波导全息平视器中衍射元件的制作提供理论指导.     

强磁场下红宝石中光谱烧孔的模拟

用Monte Carlo方法模拟了强磁场下红宝石中的光谱烧孔过程.假设光学失相完全由晶格Al核自旋的随机跳变引起,并考虑到“冷冻核”效应,较好地解释实验结果.