高阶贝塞尔-高斯脉冲光束相位奇点的演化

推导出被光阑衍射高阶贝塞尔-高斯脉冲光束的场和光强分布的解析公式,对其相位奇点的演化特性做了计算和分析。结果表明,高阶贝塞尔-高斯脉冲光束经光阑衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒。随脉冲频率和脉冲宽度增加,等相位线均沿逆时针方向旋转,涡旋核随脉冲频率增加而减小,而脉冲宽度对涡旋核大小几乎无影响。等相位线随截断参数和传输距离的增加分别沿逆时针和顺时针方向旋转,涡旋核大小随截断参数增加而变化,随传输距离和光束阶数的增加而增大。

具有离轴相位奇点的线偏振高斯光束特性研究

通常所研究的相位奇点光束均为相位奇点位于光束光轴上的涡旋光束,也即涡旋轴与光轴重合,但在实际生成相位奇点光束和具体应用中,往往很难保证光束的涡旋轴与光轴完全重合.基于应用实际,研究了离轴的相位奇点对光束光强的影响以及具有离轴相位奇点光束的聚焦特性和应用价值.离轴的相位奇点将以其中心所在位置为旋转对称中心对整个光场的光强分布产生相干叠加的影响,同时,离轴相位光束的研究也为非均匀光强分布的生成提供了更多的选择.

湍流大气中激光上行和下行传输时相位奇点的演化

利用激光大气传输四维程序数值模拟了激光在湍流大气中上行和下行传输时产生的相位奇点的变化过程。由模拟结果可知,当光束自地面向空中垂直上行传输时,相位奇点数密度随传输高度的变化有一个从无到有、从快速增加到缓慢增加、达到峰值后又减小的过程;湍流越强,畸变光场中产生的相位奇点数密度越大,达到的峰值越高,且达到峰值后减小的幅度也越大,但达到峰值时对应的传输高度越低;当激光自空中某一位置垂直下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加有一个从无到有、从缓慢增加到快速增加且在接近地平面处急剧增加的过程。另外,通过对模拟结果的曲线拟合发现,激光在湍流大气中上行传输时产生的相位奇点数密度与传输高度的关系符合黑体辐射公式;当激光在湍流大气中下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加呈指数增加。

基于相位奇点包的图像分类方法研究

相位奇点是复信号中的零点。在此前的研究中,我们发现相位奇点可提供丰富的图像信息,并对变换噪声等具有鲁棒性。本论文将相位奇点与视觉词袋模型相结合,构建图像表示的相位奇点包表示方法,并在此基础上开发图像的分类方法。与传统基于SIFT检测子的图像表示方法相比,基于相位奇点的表示方法不仅可以找到更多的兴趣点,而且可以根据相位奇点的正负属性进行单词的预分类。实验结果表明作者提出的方案是可行的,并在PASCAL2005图像分类的结果上表现的比基于SIFT的方法更好。

非对称离轴双相位奇点高斯光束的强聚焦特性

涡旋光束的中心为相位奇点,通常涡旋光束的涡旋轴(即相位奇点)位于光束的光轴上。但是考虑误差的存在,实际生成的涡旋光束会存在一定程度的离轴,因此研究离轴的相位奇点光束的特性具有重要的应用价值。基于RichardsWolf矢量衍射理论,研究了具有非对称离轴双相位奇点的径向偏振高斯光束经过大数值孔径透镜后的强聚焦特性,主要分析了离轴距离和涡旋拓扑荷数对聚焦场的影响。研究结果表明:两个离轴距离和对应的两个拓扑荷数的相对大小对聚焦场光强的最大值偏移方向的影响是一致的;高阶涡旋光束的聚焦场会发生暗核分裂现象,出现多个暗核,暗核的个数等于两个涡旋拓扑荷数的相加值再减1。

湍流大气中无衍射涡旋光束的展宽及相位奇点的演化

以经过圆形孔径截断的Bessel涡旋光束和Bessel-Gauss涡旋光束为例,数值模拟了近似无衍射涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展和畸变光场中相位奇点的变化。仿真结果表明,与Bessel涡旋光束相比,Bessel-Gauss涡旋光束由大气湍流引起的束宽扩展较小,且在一定条件下其相位奇点代数和与入射涡旋光束的拓扑荷数保持一致;在远距离传输时,Bessel-Gauss涡旋光束相位奇点代数和的起伏偏差远小于Bessel涡旋光束。Bessel-Gauss涡旋光束在自由空间光通信中作为信息载体具有较大的优势。

基于动态规划的相位匹配和遮挡检测

本文摒弃相位匹配算法中通常运用的相位差一频率法以及相位相关法,直接利用局部相位结构在对应点位置上必须相等的事实,提出以两匹配点处局域窗内的相位差异来衡量匹配误差的代价函数,并结合动态规划方法搜索满足图像对之间局部结构差异全局最小的视差结果.此外,该算法在最优视差搜索过程中将相位奇点问题以及遮挡检测同时处理,而无需检测和剔除奇点或将遮挡检测后续处理.实验结果的分析表明了该算法具有较高的实用性.

一种基于图像相位信息的亚像素微位移测量算法

综合考虑了图像的振幅和相位信息,并按相位涡旋的物理和几何特征,研究了基于数字散斑图像相位奇点匹配的位移测量算法。该算法对图像的交流信号,经用希尔伯特变换方法,提取散斑图像的实部和虚部信息,并用曲面拟合方法确定相位奇点的坐标,从而确定图像序列间的位移。试验结果表明,相位奇点匹配算法具有良好的精确度和稳定性。

高斯涡旋光束通过像散透镜后的相位奇异特性

光场相位奇异特性研究在奇点光学研究领域中具有非常重要的意义。本文运用广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式推导出高斯涡旋光束通过像散透镜后的光场分布表达式,并研究了它在几何焦平面上的相位奇异特性。结果表明,高斯涡旋光束通过像散透镜后在几何焦平面上存在相位奇点,相位奇点受到透镜的像散系数、光束束腰宽度和涡旋离轴量等参数的影响。在一定条件下,几何焦平面上出现直刃型位错线或光涡旋。当像散系数为0时,光涡旋出现在y轴上。当像散系数不为0,而涡旋离轴量为0时,会出现直刃型位错线或光涡旋,且各自的位置都非常稳定。当像散系数、涡旋离轴量或束腰宽度改变时,光涡旋会发生移动。这对光学元器件的设计和涡旋光束相位奇点的控制有一定的参考价值。

多色高斯光束的奇点分布和光谱奇异现象

讨论多色高斯光束经过球差透镜后的奇点和光谱变化.基于光传输变换理论,推导出多色高斯光束经过球差透镜后,焦点附近的强度和光谱分布公式,并进行数值模拟.结果发现,在焦平面附近,轴上奇点分布和光谱变化随着拦截比的改变而改变,当拦截比值小于某一特定值的时候,轴上奇点和光谱奇异现象都会消失.另外,当相位奇点消失时,光谱奇异现象并没有立即消失.当球差系数变大的时候,轴上有些奇点将分裂成两个新奇点,此时通过改变拦截比值的大小,可以看到这些新分裂出的奇点将逐渐汇合,并且慢慢消失.

正弦高斯涡旋光束的远场传输特性

根据角谱法和稳相法,推导了正弦高斯涡旋光束TE波和TM波在远场传输和能流密度的解析表达式,研究了正弦高斯涡旋光束在远场中的相位奇点和能流密度分布.结果表明:正弦高斯涡旋光束的远场特性与高斯光束的束腰宽度、涡旋离轴量、坐标位置以及与正弦项相关的参量有关.在一定条件下,远场中会出现相位奇点和能流密度黑核;当控制参量改变时,相位奇点和黑核的位置会发生移动,但原点处不受影响.相位奇点和能流密度的对称性主要受涡旋离轴量影响,当涡旋离轴量为0时,相位奇点和能流密度分布关于原点对称;当涡旋离轴量改变时,相位奇点和能流密度分布呈现出非对称性.

空心高斯涡旋光束的远场特性

基于角谱法和稳相法,推导出了空心高斯涡旋光束的TE波和TM波在自由空间远场传输和能流密度的解析表达式,研究了其相位奇点和能流密度分布。结果表明,空心高斯涡旋光束的远场特性主要跟控制参数有关。改变光束中的涡旋离轴量,光涡旋和能流密度黑核会发生移动。圆刃型位错线的半径和能流密度暗环位置跟束腰宽度有关,而能流密度的对称性主要受涡旋离轴量的影响。

径向偏振涡旋光束经轴棱锥后的传输特性

通过实验和理论研究了径向偏振涡旋光束经过轴棱锥后的聚焦特性,并根据Collins公式推导了径向偏振涡旋光束经过轴棱锥聚焦后的光强分布,以及相关参数对径向偏振涡旋光束经过轴棱锥聚焦的影响加以实验验证。研究发现,径向偏振涡旋光束经过轴棱锥聚焦后产生无衍射光束,并且当拓扑荷数m=1时,轴向光强不为零。聚焦区域的光强分布随着传输距离z和拓扑荷数改变而改变。可以通过改变拓扑荷数改变捕获粒子的类型。并且研究了m=0与m=1,z=1000mm时的偏振分布,发现拓扑荷数m=1时所得到的无衍射光不再是径向分布,并且相位奇点消失。理论仿真和实验结果一致。这些研究成果对于径向偏振涡旋光束的应用有着重要的意义。

基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法

激光在大气中传输时,由于强湍流或长传输距离的影响,畸变波前中出现由相位起点组成的不连续相位,现有波前复原算法不能有效复原不连续相位,使得自适应光学系统校正效果下降甚至失效.本文分析了最小二乘波前复原算法不能复原相位奇点的原因,提出了基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法,给出了复指数波前复原算法中迭代计算、降采样、插值计算的实现方式.研究了该方法对不连续相位和随机连续相位的复原能力,数值分析了采用复指数波前复原算法的自适应光学系统对大气湍流像差的校正效果.仿真结果表明,同等复原精度下,相比直接迭代过程,该方法所需浮点乘数目减少了近2个数量级,且随着夏克-哈特曼波前传感器子孔径数目增加,其在计算量上的优势更加明显. Rytov方差较大时,相比直接斜率法,自适应光学系统采用复指数波前复原算法后校正光束Strehl比提升1倍.

轨道角动量指向可控的紧聚焦时空波包(特邀)

利用Debye积分,研究了三个相互正交的轨道角动量(包括两个正交的横向轨道角动量以及一个纵向轨道角动量)光场在紧聚焦条件下的复杂耦合现象,并演示了焦场中相位奇点在三维时空间中的演化。此外,还研究了具有不同拓扑荷数的纵向轨道角动量对聚焦波包整体轨道角动量指向的影响。数值结果表明,聚焦波包的整体轨道角动量指向可由纵向轨道角动量的拓扑荷数进行调控,进而实现紧聚焦时空波包的轨道角动量指向可控。这种角动量指向可控的时空波包在光学微操作、微纳加工、自旋-轨道耦合以及量子通信等领域具有潜在的应用价值。

光学涡旋的研究进展

从理论、基础技术和应用三个方面对光学涡旋的发展历程和研究进展进行了概述。首先,重点介绍了线性光学涡旋和非线性光学涡旋孤子两种模型的最新理论研究成果,以及产生高亮度、高精度及高能量的光学涡旋的新思路和新方法,如计算全息法、新型螺旋相位板法、热透镜法及泵浦光重整法等。然后通过具体数据比较了这些方法的原理和特点。在应用领域,着重介绍光学涡旋在远距离光操纵、天文观测和MEMS微制造等多个应用领域获得的突破性进展,分析了光学涡旋应用的发展趋势,并对未来的研究方向进行展望。

椭圆高斯光束基于螺旋相位板产生奇点光束的特性研究

基于螺旋相位板(SPP)的调制特性以及光束的近轴传输理论,获得了椭圆高斯光束通过SPP后的复振幅分布函数,对不同拓扑荷数的椭圆奇点光束在不同传输距离处的光强分布和相位分布进行了研究。结果表明:椭圆高斯光束通过SPP后随着传输距离的增大,光斑形状与初始形状相比发生改变;高阶椭圆奇点光束的光斑在传输过程中会发生一定程度的偏转,偏转方向与拓扑荷数的符号有关;高阶椭圆奇点光束在传输过程中,暗核区域发生分裂,分裂出的奇点数等于SPP所产生的椭圆奇点光束的拓扑荷数,而这种分裂情况在一阶椭圆奇点光束中不可能发生。

高次方涡旋光束经大数值孔径透镜的聚焦特性

为了获得多种类型的波长量级聚焦光斑,研究了一种新型涡旋光束,高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦。基于矢量德拜积分公式,理论上研究了线偏振的高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦特性。研究了涡旋光束的拓扑荷数和幂次方数对聚焦平面光强和电场x分量的相位分布的影响。研究结果表明,通过控制涡旋光束的拓扑荷数和幂次方数可以产生不同类型的聚焦光强分布,例如尺寸约为2个波长大小的实心和空心型聚焦光斑。此外,与普通的涡旋光束聚焦不同,高次方涡旋光束聚焦后的奇点并不在焦点处。这些特殊的聚焦光斑有望在微粒的操控等领域中得到应用。

基于少模光纤的轴对称偏振光束的产生

首先介绍了轴对称偏振光束的基本概念以及特性,然后以少模光纤为模式转换器,通过旋转偏振控制器上光纤挤压器的旋钮对光纤中间部分施加压力,同时配合旋转光纤挤压器,以实验的方式获得了不同模式的轴对称偏振光束。通过调节偏振控制器以及输入光束和光纤的离轴状态,分别得到了径向偏振TM01模式,角向偏振TE01模式,奇数混合偏振HEodd21模式,偶数混合偏振HEeven21模式,以及线偏振HE11模式五种光纤所激发的模式。同时,还通过干涉实验中叉形光栅结构证明了相位奇点的存在。

亚像素图像测量的研究

作为仪器仪表行业广泛采用的一种检测、计量手段,图像的非接触测量方法具有诸多优势。很多情况下,出于对被测物理量实际应用的考虑,往往在测量精度上提出了更高的要求。在不改变光组放大倍数和成像传感器分辨率的前提下,解决这一需求的最有效手段就是进行亚像素级测量。本文首先对图像非接触测量系统的组成做了原理性介绍和讨论,而后分别就光流法、相关拟合法、相位相关配准法、相位奇点法做了具体理论阐述。文中就激光散斑微位移测量的研究方法进行展开,进而借助一系列数学模拟和仿真手段,对上述方法一一做了0.1像素级精度的亚像素计算试验,并给出了具体测试结果和试验曲线。最后结合试验效果,论文给出了试验结论。