用于荧光内窥镜的陷波滤光片的研制

基于荧光内窥镜的实际应用确定陷波滤光片的技术指标,以光学薄膜理论为基础设计陷波滤光片结构,采用Essential Macleod软件辅助进行膜系设计,分析膜层敏感度,选择合适镀膜设备、工艺控制方法制备陷波滤光片。制备的滤光片通带透射率均值达到97%以上,截止背景达到OD6以上,透射波前畸变低于λ/4@632.8 nm,满足医疗健康微创精准手术的应用需求。

计算全息检测技术的精度溯源研究现状分析(内封面文章)

随着光学系统性能的要求越来越高,非球面、自由曲面等复杂光学曲面能够提升系统的成像性能,因此提升复杂光学曲面的检测精度极为重要。干涉检测是测量复杂光学曲面的重要手段,其中计算全息检测法(Computer Generated Hologram,CGH)作为干涉检测中的一种,因其精度高和设计自由度大等优点得到了广泛的应用。但是在CGH检测复杂曲面的过程中存在的各类误差会影响波前检测的精度。文中首先介绍了计算全息法的检测精度现状,其次归纳总结了造成计算全息法误差的主要因素。分别介绍了不同误差的产生原理、影响效果、相对应标定补偿方法及适用情景和优缺点;并介绍了基于CGH占空比与线条位置误差的调研现状分析以及现有的研究方法;最后对计算全息法检测的精度溯源和精度提升研究趋势进行了展望。

面向干涉包裹相位的多等级噪声抑制网络

包裹相位是激光干涉测量获取相位信息的前提,为了减小测量过程中噪声对包裹相位条纹的干扰,提高重构图像的质量,提出了一种非对称融合非局部边缘提取神经网络(Asymmetric Fusion Non-Local and Verge Extraction Neural Network,AFNVENet)。该网络在FFDNet基础上,设计了非对称融合非局部块和边缘提取模块,通过融合不同级别噪声特征及反向引导去噪过程,在有效抑制多等级噪声的同时,保留了更多的图像细节信息。选择带有乘性散斑与加性随机噪声的包裹相位数据集用于训练,通过消融实验和对比实验结果表明,AFNVENet算法对不同等级的噪声都具有更好的噪声滤除效果,当噪声标准差在[0,2.0]范围内变化时,去噪后的PSNR、SSIM和SSI均值分别达到24.88 dB,0.97和0.95。此外,通过进一步解包裹结果表明,AFNVENet去噪后的解包裹相位均方根误差均值比SCAF,NLM,KSVD和DnCNN分别减小了87%,73%,79%和36%,验证了该方法的可行性。AFNVENet方法在抑制噪声时具有较好的鲁棒性,可适用于不同干涉测量环境下多等级噪声的包裹相位信息恢复。

基于涡旋高斯光束的自成像效应数值实验

涡旋光束的传输动力学行为是光学领域研究的热点之一。该文采用理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了经典光学涡旋、非对称幂指数光学涡旋和对称幂指数光学涡旋三类不同涡旋高斯光束的传输行为。结果表明,在自由空间中三类光学涡旋高斯光束均可产生整数、分数自成像效应,其自成像距离与无光学涡旋高斯光束产生的自成像现象的复现距离一致。自成像平面上光场结构由一系列周期性阵列光束构成,其光强分布与涡旋相位的拓扑荷数和幂指数阶数密切相关。对于所施加的三类光学涡旋,阵列波束表现出了圆环、螺旋及花瓣型三类不同的光场分布,但是其相位分布基本保持不变。该研究为系统认识周期性涡旋光束的演化动力学行为,以及获得新颖的结构光束提供了新的思路和方法。

第54届国际物理奥林匹克竞赛实验试题介绍与解答

第54届国际物理奥林匹克竞赛实验题为铜棒中的热传导和相位阶跃衍射,铜棒中的热传导试题涉及到的内容包括热传导、对流和温度传感器的特性等内容;相位阶跃衍射试题涉及到测量透明载玻片的厚度和未知液体的折射率.2个实验题难度和题量适中,对实验仪器调节的难度不高,学生对涉及到的理论知识和实验内容均较为熟悉.本文给出了具体试题和竞赛组织者给出的标准解答.

改进的迈克尔逊干涉仪测量钠黄光双线波长差

在迈克尔逊干涉仪实验教学及科学研究过程中发现齿轮经常脱扣的现象,这对测量结果产生了严重影响。本文中,我们将传统的齿轮咬合式迈克尔逊干涉仪改进为杠杆式迈克尔逊干涉仪,有助于避免齿轮咬合式迈克尔逊干涉仪中多个齿轮间容易脱扣的现象。利用钠光灯照射杠杆式迈克尔逊干涉仪,观察到了明显的光拍干涉图样,测量了钠黄光双线波长差。钠黄光双线波长差的测量结果为0.5953±0.0054(nm)。本文的研究有助于提升迈克尔逊干涉仪装置的测量稳定性,实现在光谱定标、光学传感、生化检测等领域的长期稳定使用;有助于提升学生发现问题、解决问题的能力;以及有助于学生提升将不同科目知识相结合的能力。

制作螺旋孔屏产生1阶相位涡旋

基于光的衍射与干涉理论,利用Matlab软件计算了孔数目为1~6的螺旋孔屏的光场光强与相位涡旋分布.手工制作了孔数目为1~6的螺旋孔屏,搭建了马赫-曾德尔干涉光路,获得了各螺旋孔屏产生的光场与参考光的干涉光强,实验结果与数值计算结果基本一致.

基于几何光学理论的点光源非定域干涉测角分析

目的:点光源非定域干涉的微小角度测量方法因具有非接触、灵敏度高、精确度高等优势而备受重视。为了解决现有原理分析理论的如下不足:1)在阐述平晶两个表面形成一对虚拟点光源的机理方面比较抽象;2)且难以普遍适用于多面型测量装置。方法:以平晶楔角的测量为例,基于几何光学理论,推导了干涉同心圆环的圆心侧移量与楔角之间的关系式,通过可视化研究了所推导关系式与文献关系式之间的差异。结果:除零点外,相同的圆心侧移量情况下,所推导关系式给出的楔角值会小于文献关系式给出的楔角值,即10 mm圆心偏移量对应的楔角偏差为0.027″,1 mm圆心偏移量对应的楔角偏差为0.003″。结论:基于几何光学理论的分析方法不仅能分析平晶独体元器件楔角测量的原理,而且还能分析多面型变体结构测角原理,既能够定量分析圆心侧移量与楔角之间的关系,又能实现干涉同心圆环的仿真,丰富了点光源非定域干涉测角技术。

杨氏干涉实验中双孔的振动对衬比度的影响

研究了杨氏干涉实验中双孔的振动对衬比度的影响.利用复振幅叠加方法给出了当两个孔做振动方向相反的简谐振动时一对双孔对任一场点、任意时刻的光强表达式,进而给出双孔做简谐振动时双孔的分布函数.利用分布函数得到干涉场的稳态分布,由光场的稳态分布得到衬比度,发现衬比度随位置呈一个振幅衰减的拉比振荡形式.

同步相移横向剪切干涉中偏振器件的误差建模

为了对同步相移横向剪切干涉系统中偏振器件的选型、装调以及误差补偿提供可靠的理论依据,本文根据琼斯矩阵原理,构建了系统中1/4波片和偏振片阵列误差对测量结果影响程度的误差模型,对四分之一波片的相位延迟误差、快轴方位角误差以及偏振片阵列透光轴方位角误差对测量结果的影响进行了定量分析。仿真结果表明:1/4波片的相位延迟误差在±1°以内时,波面测量误差为0.00002λ(PV)和0.000062λ(RMS);1/4波片的调整精度在±2°以内时,波面测量误差为0.0001λ(PV)和0.00006λ(RMS);偏振片阵列方位角误差在±1°以内时,测量误差为0.003λ(PV)和0.001λ(RMS)。根据仿真结果对测量系统中偏振元器件进行选型,同时选择两种不同精度的偏振元器件进行对比实验。实验结果的残差值与仿真结果的残差值的PV以及RMS值偏差均小于λ/20,可以在一定程度上验证模型的有效性。本文提出的数学模型可以为同步相移横向剪切干涉系统中偏振器件的选型提供可靠的理论依据。

离轴超构透镜设计与特性分析

本文提出了一种离轴超构透镜的设计方法,并分析了不同数值孔径、离轴角度等参数对于离轴超构透镜的光谱分辨率、聚焦效率以及仿真结果的影响。利用Lumerical软件分别仿真了参数为NA=0.408、α=13°;NA=0.180、α=13°及NA=0.408α=20°等多个离轴超构透镜。仿真结果表明:离轴角度与光谱分辨率大小成正相关,离轴角度越大,光谱分辨能力越强,但聚焦效率越低;数值孔径越小,相位分布的覆盖范围越小,会导致仿真聚焦位置与理论值偏差变大。设计者需要根据需求合理平衡数值孔径、离轴角度等参数,最终实现理想效果。本文得出的结论对离轴超构透镜的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。

基于反射式空间光调制器的非球面面形干涉检测方法设计

目前光学系统中非球面数量多,针对各个非球面单独做补偿器检测面形加工成本高、通用性不好、加工难度大,为解决对多个参数不同的非球面需要不同的补偿器的问题,提出了一种基于空间光调制器(spatial light modulator,SLM)作为补偿器的干涉面形检测方法,该干涉检测法采用反射式空间光调制器作为零位补偿器,结合偏振分光镜和波片建立检测光路,可以实现对非球面面形误差的测量。通过在ZEMAX上模拟一个两表面皆为凹非球面的场镜的检测光路,对该干涉检测方法进行了验证,并在MATLAB中仿真分析了SLM的波前调制误差。仿真结果表明,该方法可以实现对不同非球面面形的检测,设计光路中的波前调制精度可达0.0083λ。

高亮度低色差裸眼三维显示中的谐衍射结构设计

目前,裸眼3D显示技术仍存在亮度低、清晰度差、结构复杂和制造难度高等缺点。为此,提出了一种可同时精确调制RGB像素光线的具有较大周期宽度的离散化谐衍射结构,四组交织排列的谐衍射结构子单元旋转对称分布组成调制三维光场的位相调制面板。使用Tracepro软件对水平方向上两个特定位置处的体像素进行了分光模拟实验。分析了不同台阶近似以及光源斜入射时的衍射效率与总光效的关系,得到16台阶近似时入射角应小于10°的结论。设计的谐衍射结构提升了显示亮度和清晰度,降低了设计与制造难度。得到了一种具有两个观看视角、分离角度为9.4°、最佳观看位置距离屏幕为384.2~402.8mm的裸眼3D显示方案。

数字全息显微中相位像差校正技术综述

数字全息显微技术是数字全息技术与显微技术的结合,兼备两种技术的优点,为微纳领域的定量三维测量提供了一种无损、无标记、准确和近实时的测量手段。然而,由于元件缺陷和失调以及环境扰动等原因,会在数字全息显微测量结果中额外引入相位像差。为了获得准确的定量相位测量结果,必须对像差成因和主要成分进行分析,然后补偿和校正像差。这篇综述介绍了数字全息显微成像测量中主要的像差来源和影响,基于实现的方式对现有的像差校正方法进行了综述,并展望了未来像差校正领域的发展方向,为从事数字全息检测研究的研究者提供参考。

中心不重合径向剪切干涉迭代波前重构算法仿真分析

径向剪切干涉测量时经常会出现扩束与缩束光波中心不重合情况,传统波前重构算法会导致较大重构误差,其应用受到挑战。推导了中心不重合径向剪切干涉迭代波前重构算法,仿真分析了组合像差、单阶Zernike像差、中心偏移量大小及其计算误差对重构算法的影响。结果表明,在剪切光波中心不重合情况下,该文算法能够准确进行波前重构,重构效果显著优于传统算法;在论文仿真条件下,随着中心偏移量的增大,本文算法重构波面均方根误差(RMS)不高于0.05λ,而传统算法重构误差RMS值达1.6λ且与偏移量近似线性相关。

正弦相位调制的固体激光自混合干涉振动测量

基于正弦相位调制的激光自混合干涉技术,实现了扬声器表面、白纸等粗糙表面微小振动的精密测量。选用532nm固体激光器作为激光光源,基于电光调制器实现激光的正弦相位调制,相应的调制频率为251kHz。通过混频器/滤波器电路,从正弦相位调制的自混合干涉光学条纹中分别提取由位移变化导致的高信噪比正弦和余弦函数激光功率振荡信号,并进一步获得由于位移变化导致的激光相位变化。因此,可以从激光的相位变化中高效率计算出外部目标的振动与位移。通过与一精度为50nm的精密位移平台进行对比测量,两种仪器的测量结果吻合良好,实验验证了本文中激光自混合干涉仪的性能。文章的新技术可以为高精度低频微振动、微位移测量提供可靠的技术支持。

基于微流芯片测量透明液体的浓度

微流芯片测量透明液体浓度综合实验项目是基于第8届全国大学生物理实验竞赛(创新)命题类竞赛获奖项目及学生参赛研究成果开发而来.实验项目中利用微流芯片技术设计制作了双通道微流芯片作为双缝干涉装置,将已知浓度透明液体及待测溶液分别输入该装置内,通过面阵CCD接收采集激光双缝干涉图像.利用浓度变化与光程差变化间的联系,分析测量浓度变化前后的干涉图像中条纹的移动距离,从而实现对透明液体浓度的测量.该项目涉及知识层面广泛,充分结合了基础双缝干涉光学实验内容、图像分析处理以及新兴微流芯片技术,该方法的测量精度高,较好地丰富了基础物理实验教学内容,可用作分类分层研究性实验教学项目.

典型分形结构光栅的Fraunhofer衍射数值模拟

本文旨在研究Cantor条幅、Cantor地毯、Sierpinski垫片三种自相似分形结构的Fraunhofer衍射场在屏上的光强分布以及自相似分形结构的几何规律.通过复数积分法和位移相移定理,得到了屏幕上不同位置相对光强的数学表达式。随后,使用MATLAB进行数值计算和后处理,以直观的方式呈现出衍射图案.结果显示:衍射光强分布主体对称性由母代衍射图样的对称性确定;随着分形子代的增多,衍射图样在母代对称结构图样上逐渐分支复杂,最终收敛于类母代衍射图样,并满足衍射反比律.内容为光栅衍射和位移相移定理的教学拓展提供参考案例。

高斯光束圆孔衍射光强分布的解析解

本文从菲涅尔-基尔霍夫衍射公式出发,结合贝塞耳函数等特殊函数的性质,计算了正入射高斯光束圆孔衍射的光强分布,并以洛默尔函数的形式表示了焦点附近的光强分布.之后选取了几何焦平面、光轴以及几何阴影区域边界这三个特殊区域,理论结合数值方法给出了光强分布的解析表达式以及数值结果,并发现高斯光束束腰半径越小,艾里斑半径越大,同时焦深也越大.最后计算了焦平面上的光强积分强度,结果表明束腰半径越小,光强就越向中心集中.同时高斯光束相较于平面波的衍射,不会改变光强分布的整体轮廓,但会使得光强向焦点处集中.

环五孔稀疏孔径系统成像性能研究

稀疏孔径系统作为高分辨率成像解决方案,其成像性能却受子孔径之间活塞误差和各独立子孔径波前残差强烈影响。以均匀环五孔构型为研究对象,通过对点扩散函数和调制传递函数的表征,数值模拟得到了该构型的成像相关误差指标。从频域覆盖无截断的角度分析了环五孔构型的填充因子,选择范围为27.8%至68.5%。以斯特列尔比(大于0.80)为评价准则,填充因子为43.2%时的子孔径之间的活塞误差最大容忍度约为λ/6,含有独立自适应光学系统的各子孔径的波前残差均方根最大容忍度约为λ/14。填充因子的选择范围从根本上受到子孔径波前残差的限制,而子孔径之间的共相则需以一定的自适应光学校正水平为前提。