产生环形激光的光学系统设计

为了产生半径可自由调控的聚焦环形激光且确保离焦后光束强度仍均匀,本文提出一种透射-反射式组合的环形光光学系统设计方法。对于透射式系统,基于等能量分割原理,建立入射光与出射光投射高度的映射函数,优化透镜的各项参数,将入射的高斯光先整形成平顶圆形光,实现光束强度均匀化。反射式系统通过调整焦面环形光直径调控范围、工作距离等参数,结合几何光线追迹原理,计算圆锥反射镜、抛物柱面镜及动镜的各项参数,将平顶圆形光再整形成环形光。实验结果表明:当动镜半顶角为16°时,所设计系统能够实现聚焦环形光半径在15~30 mm范围的自由调控,尺寸误差不超过0.05 mm,离焦后强度均匀度达到84%。该设计方法无需更换系统镜片即可兼顾强度均匀性和尺寸自由度,可操作性好,产生的环形光加工精度和效率更高。

利用衍射法自动测量金属的弹性模量

采用夫琅禾费衍射原理,发展了一种利用衍射法自动测量金属丝弹性模量的新方法。利用CCD同时获得单缝衍射和单丝衍射图像,编写图像处理程序,对两类衍射条纹进行采集与自动化处理,得到衍射条纹的中央明条纹宽度,分别测量金属丝的微小伸长量和金属丝的直径,从而精确地获得金属丝的弹性模量。衍射法在微小尺度测量上具有较高精度,可用于精确测量金属丝的弹性模量,将光学测量应用于力学量测量,对于培养大学生综合实验技能具有重要作用。

创新研究型实验的探索和实践

以该校开展的＂高效太阳能电池＂实验为例,讨论如何开展创新研究型实验,分析了开展过程中存在的问题,提出开展此类实验教学所需的前提条件。

Golay3望远镜系统的设计

提出用Golay3稀疏孔径取代望远镜两镜系统中的主镜,以在保证望远镜角分辨率的同时减少系统的质量和体积。首先利用三级像差理论设计了一套两镜系统,其中主镜是球面镜,次镜是双曲面镜。用Golay3稀疏孔径代替主镜,分析了填充因子与子镜半径的关系。然后,通过Zemax程序对系统进行模拟,分析了系统的调制传递函数特性及点列图。最后,在次镜后加入两块熔石英校正镜,并优化校正镜表面曲率半径以及成像工作距离以改进视场。通过Zemax程序模拟发现:系统的截止频率随着主镜填充因子的减小而减小,从F=22.2%的114.5lp/mm到F=15%的97.7lp/mm,再到F=10%的77.8lp/mm;另外,在成像面之前加入校正镜极大地提高了系统的视场,在0.3°视场下,加入校正镜之前的最大像斑半径均方根值是加入后的2.5倍左右。

基于液晶空间光调制器相位调制的波面转换

本文介绍了一种基于液晶空间光调制器(LCSLM)相位调制特性的波面转换方法,可将入射光变换成任意波面。测量了液晶空间光调制器相位调制特性,得到相位和灰度的对应关系;分别以几何理论和G-S算法为基础计算出衍射光学元件(DOE)的表面相位分布;将DOE表面的相位分布转换为灰度分布显示在LCSLM上,使得LCSLM具有波面实时转换功能;并以高斯激光为入射光对其进行波面转换实验,实验结果证明了设计方法的准确性及可行性。

利用LCD相位调制获得高效率空心光束

空心光束由于具有一系列特殊物理性质,所以它在对微观粒子的三维操控技术中占据了极其重要的地位。本文提出采用LCD对入射激光进行相位调制得到高衍射效率空心光束的方法。文章研究了螺旋波的特性,分析了LCD相位调制的原理,在LCD上作出螺旋波的实时纯相位图对入射光进行相位调制,获得具有高衍射效率的空心光束。实验结果表明,采用LCD相位调制方法产生空心光束不但具有实时可调,方便、精确的优点,还具备高衍射效率。

基于TFT-LCD的相位型菲涅尔波带片生成的中空光束

中空光束具有特殊的物理性质,在光信息处理、微电子学、同位素分离和分子光学等领域有着广泛的应用。本文提出采用TFT-LCD制作相位型菲涅尔波带片,平面波经TFT-LCD衍射生成中空光束。实验结果表明,基于TFT-LCD的菲涅尔波带片生成的中空光束具有实时可调、快捷和精确等优点。

大离轴量非球面反射镜的加工方法

为了改进大离轴量非球面反射镜加工方式,降低外界因素导致的反射镜面型误差,以及提高效率,本文基于慢刀伺服技术提出一种适用于大离轴量、且不受车床加工口径限制的刀具路径规划方法。以离轴反射镜坐标平移变换的方式,将镜面外边缘与车床主轴中心之间的距离控制在车床加工半径内,减少刀具离轴量和加工区域。坐标平移后的反射镜以主轴中心为原点,多个与之相同的反射镜均匀分布在圆周上,形成一种切削区和过渡区并存的离轴阵列样式。建立样条和正弦混合插值方程,以刀具在边缘切削点的Z向切削速度和切削加速度连续无突变为前提,补正过渡区刀具路径。最后通过实验分析证明:在整个加工区域,过渡区和切削区刀具路径平滑连续,Z轴和C轴平稳运行,加工精度达PV0.4波长@632.8 nm。通过坐标平移的方式,可以有效降低刀具离轴量,补正的刀具路径保证了车床的平稳运行,满足大离轴量的非球面反射镜加工,且一次加工可完成多个反射镜,加工精度和效率高。

Golay3稀疏孔径光学系统调制传递函数分析和成像研究

给出Golay3稀疏孔径光学系统的光瞳结构,分析其调制传递函数(MTF)特点。对不同填充因子的Golay3稀疏孔径光学系统模拟成像,并用几何均值滤波进行图像复原,以相关系数评价模拟成像质量和图像复原效果。结果表明:模拟成像和图像复原结果与调制传递函数分析结果一致;经几何均值滤波后,图像质量得到改善:图像复原效果随填充因子增大而提高。

利用金属筛网拓展光栅衍射实验

为拓展大学物理实验中光栅衍射实验的内容,使其更贴近生活,实验现象形式多样,利用生产生活中常用的金属筛网作为二维光栅设计实验内容。通过筛网的衍射,可直观地观察到二维光栅的衍射现象,并分析了不同衍射图像产生的原因。通过两种不同的方案测量衍射角,从而计算出筛网的关键参数-网孔尺寸。

高效太阳能电池

设计了一种可提高太阳能电池吸收太阳光的效率和有效存储能量的方法和装置。介绍了太阳能电池的伏安特性和法拉电容的充放电特性。该装置通过凹面镜实现太阳光的双面吸收,并以法拉电容存储太阳能。和传统单面受光电池以及用蓄电池储电相比,该装置太阳光吸收效率高、法拉电容充电时间快、放电电流大,可广泛适用于路灯及楼道灯照明等领域。

环形稀疏孔径结构的研究

介绍环形稀疏孔径的结构,分析环形光瞳的填充因子,并推导出环形稀疏孔径调制传递函数(MTF)的解析式。用MATLAB软件对其进行模拟,并利用Zemax光学设计软件设计环形稀疏孔径光学系统,得到调制传递函数图像,与理论推导的结果相吻合。采用标准分辨率板,在不同填充因子的环形稀疏孔径光学系统下进行模拟成像;利用分数阶微分算子对模拟所得的图像进行图像加强,改善环形稀疏孔径光学系统成像质量。

大视场虚拟现实光学系统设计

虚拟现实技术由于具有良好沉浸感和人机交互性强的特点而被广泛应用于军事训练、教育和医疗等领域。本文设计一款适用于虚拟现实头盔显示器的两片式大视场光学系统。利用单透镜作为初始结构,根据设计要求调整出瞳直径,出瞳距离,逐渐增大视场角,并采用非球面来优化提高光学系统的成像质量,减小畸变。设计完成的头盔显示器光学系统全视场角达到92°,所有视场下的调制传递函数值在奈奎斯特频率处均大于0.1,系统最大畸变为9%,并且在全视场范围内实现每度16.8像素数的角分辨率。实验结果表明:与单片式光学系统相比,本文设计的两片式系统具有更好的成像质量、更出色的边缘视场畸变和色差控制效果。此外,该光学系统重量轻、结构紧凑、成本低,可应用于新一代虚拟现实设备的头盔显示系统。

稳定X轴的刀具圆弧Z向补偿差值迭代法

为了改进自由曲面刀具路径规划中刀具圆弧Z向补偿的计算方法,降低车床克服X轴惯性带来的跟踪误差,提高切削速度和效率,基于超精密车削下的慢刀伺服技术提出一种差值迭代法。以理想刀位点极径和由给定刀触点计算出的实际刀位点极径作差值运算,判断差值是否小于车床导轨分辨率,若低于分辨率,则输出刀位点;若超过,将差值补偿给初始刀触点重新计算补偿刀位点,再与理想极径作差值,此为一次迭代,通过多次迭代,即可完成最终刀位点输出。通过实验分析证明:三次迭代后的刀位点极径即可满足阿基米德螺线渐变,车床X轴稳定进给,同时对Z轴的补偿量较少,加工精度达PV0.226λ@632.8 nm。该差值迭代法无需复杂的方程组求解和曲面拟合,可操作性好,加工精度和效率高。

利用菲涅尔波带片测量LC-SLM相位特性

提出一种测量液晶空间光调制器相位特性的新方法。在液晶空间光调制器上实时显示具有特定尺寸的菲涅尔波带片,改变相邻环带的相对灰度值,通过测量波带片后主焦点光强的分布,从而得到相移量和灰度(驱动电压)之间的关系。该方法考虑到大多数液晶空间光调制器存在相位和振幅耦合调制,无法实现纯相位调制的问题,通过引入修正因子消除了耦合调制对相位特性测量的干扰。实验证明在特定灰度范围内,液晶空间光调制器的相位特性具有良好的线性特点。

线上线下相结合的大学物理实验教学改革研究

依托线上微信、视频平台等互联网技术和资源,结合线下的课堂教学提高大学物理实验教学内容的科技时效性,丰富教学手段,解决传统实验教学中的学生忽视预习、抄袭数据、缺乏实验操作量化评定等问题。通过统计实验教学的各项数据,分析其与教师授课、教学安排和学生培养之间的关系,根据分析结果的反馈指导实验教学和教研教改工作的开展。以上方案在试点班级中取得了明显的教学效果。线上线下相结合的教学模式为互联网+背景下的物理实验教学改革提供了一条有效的途径。

迈克尔逊干涉仪在相位相干成像测量系统中的应用

传统4f相位相干成像测量技术中,利用相位物体使测量材料产生的相位变化转换为可直接观察的振幅变化,实现材料光学非线性折射率的测量。然而相位物体的厚度是固定不变的,相位延迟会随激光波长的改变而改变,测量中需要更换合适的相位物体。理论分析了不同激光波长对相位物体相移大小的影响,详细讨论了不同形状光束下相位物体的半径和相移的大小对4f相位相干成像系统灵敏度的影响。利用了迈克尔逊干涉仪中两束光的相位延迟替代传统相位物体的功能,实现了一种相位可调的相位物体。因为迈克尔逊干涉仪两束光的相位延迟连续可调,使得在不同形状光束及不同波长激光下的测量灵敏度达到最优。该方法进一步完善了4f相位相干成像测量技术,不仅解决了传统相位物体的不足,而且提高了系统测量的精度。

“相位驻波”法测量液体的表面张力系数

液体表面张力系数测量技术中,非接触法测量具有快速、无损和简单实用等优点.本文设计了一种非接触式测量透明液体表面张力系数的新方法,发现了一种特殊的“自干涉”现象,并提出“相位驻波”理论解释了该现象产生的原因.通过一个频率可调的振动源激发液体表面波,利用普通光源或激光光源斜入射至液面,经过液面下方的漫反射面反射后,光波携带第一次表面波相位信息与表面波再次相遇,使两次相位余弦波产生了驻波形式的相位分布,从而在远场观察到明暗相间且非常稳定的“自干涉”条纹.通过对图像分析处理,实现条纹间距的自动测量,根据表面波的色散关系,自动准确地获得液体的表面张力系数,该方法可广泛应用于液体表面张力系数的精确测量.

利用喷射法制作微透镜

介绍了采用喷射技术,应用微压电液滴喷射器将铝溶胶喷射成型制作微透镜。制作的微透镜尺寸小,直径约可小到100μm,可以直接封在半导体激光管内,用做准直透镜。也可通过微机控制,制作成非球面微透镜,可有效提高光束质量。

基于自由曲面的虚拟现实光学系统设计

虚拟现实技术融合了多媒体、互联网和人工智能等多领域技术,在军事、教育等领域得到了广泛运用。本文设计一款基于自由曲面的两片式虚拟现实光学系统。根据人眼特性确定入瞳直径和出瞳距离,采用自由曲面和偶次非球面进行优化设计,从而达到增大视场角、减小畸变、提高成像质量的效果。设计完成的光学系统对角线全视场角达到93.5°,所有视场下的调制传递函数值在奈奎斯特频率处均大于0.33,系统最大畸变为4.92%。此外,光学系统采用光学塑料PMMA和POLYSTYR作为镜头材料,质量轻、成本低,可应用于新一代的虚拟现实技术设备。