基于Mathematica的平行光斜入射光栅衍射的模拟和可视化研究

光栅衍射作为大学物理的重要教学内容和教学难点,由于其理论推导和数学表达形式复杂,学生难以形成清晰的物理图像,导致课堂教学效果不理想。教材中仅对光垂直入射光栅时的衍射特性进行了讨论,但平行光斜入射光栅时的衍射特性却未被充分探讨,且这一领域的研究仍然有限。本文首先应用光的衍射理论推导出了平行光斜入射条件下单缝衍射和光栅衍射的光强分布表达形式,将单缝衍射和光栅衍射的研究由垂直入射推广到斜入射的情况。然后,应用Mathematica软件中的强大的交互式界面Manipulate,结合Initialization和Limit命令,对平行光斜入射情况下的单缝衍射和光栅衍射的光强分布进行了系统的模拟和仿真,分别绘制出单缝衍射的相对光强分布、多缝干涉的相对光强分布、光栅衍射的相对光强分布和衍射条纹分布情况。通过可视化过程,使学生深刻地理解光栅衍射的光强分布是单缝衍射和多缝干涉共同作用的结果,单缝衍射提供了光强分布的包络,而多缝干涉则决定了衍射条纹的具体亮暗变化,将抽象的光的衍射现象形象直观地动态演示出来,这有助于学生建立清晰的物理图像,深刻地理解单缝衍射和光栅衍射,极大地提高教学效果。

用光干涉和衍射装置替换光杠杆的杨氏模量测量方法

本文利用光的干涉原理和单缝衍射原理设计杨氏模量实验仪,根据光的干涉和衍射条纹的变化规律测量金属丝受拉力作用下的微小长度变化量,进而实现金属丝杨氏模量的高精度测量.为了满足光的干涉实验条件,采用气动拉力调节装置代替砝码,解决了仪器的晃动问题,并实现了拉力改变的无级调节和电子秤拉力直读,把传统的测量杨氏模量实验由一个单纯的力学实验变成了一个力学与光学相结合的综合性实验,丰富了实验内容,拓宽了学生的视野,提高了学生分析问题和解决问题的综合能力.

用于超构表面衍射光帆光力测量的扭秤设计

基于超构表面技术的衍射光帆在矢量光场的作用下,其最大加速度、自稳定推进力和姿态可控性可以得到提高。在真空环境中,精确测量衍射光帆在矢量光场作用下产生的光力对建立完整的空间动力学模型至关重要。基于扭秤弱力测量技术,本文分别设计了面向形状规则与不规则的衍射光帆的光力测量扭秤。对于形状规则的光帆,可通过严格控制扭秤的尺寸及各部件相对位置误差等方法提高测量精度,该扭秤理论测量误差为0.55‰。形状不规则光帆样品的转动惯量及误差难以精确计算,通过在扭秤上增加可随时取放的标准球,标准球的转动惯量可以通过其几何尺寸及位置严格计算,测量扭秤在有无标准球的状态下的周期即可以给出其受到的光力大小。本研究提升了光力测量实验的效率和灵活性,为光帆推进、空间碎片轨道操控等应用提供数据支撑。

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.

结构光通过复杂孔的衍射与干涉

光的衍射和干涉图样常被用来研究物质的内部结构,高效模拟产生复杂结构的干涉和衍射对物质内部结构的研究具有重要意义.实验利用结构光场和分形复杂孔模拟物质内部的复杂结构,并通过空间光调制器实现实验研究及实验结果的分析处理.利用数字螺旋成像技术模拟衍射干涉图样,为复杂结构的干涉与衍射的模拟提供了有效的解决方案.

利用线阵探测器研究光的干涉、衍射现象

光的干涉和衍射现象是波动光学的重要内容.研究这一现象不仅可以加深对光的波动性的理解,同时还有助于进一步学习近代光学实验技术,如光谱分析、晶体结构分析、全息照相、光信息处理等.本文利用CCD线阵探测器(东芝TCD1304)作为一维光强分布探测器,并自行开发了相应电路和软件,对各种单缝、双缝进行了光强相对分布测量,结果明显地展现出干涉、衍射的特征,并实时给出位置与光强的关系曲线.装置具有结构简单,位置分辨率高达0.01 mm,光强灵敏度范围可同时测得8级以上单缝衍射条纹,实验结果与理论值相对误差小于5%,动态数据刷新率达30 ms/帧.

透镜轴棱锥产生ns近似无衍射Bessel光脉冲

利用Nd∶YAG调Q激光器和由带像差的发散透镜与理想的汇聚透镜组成的双胶合透镜轴棱锥获得了高稳定的纳秒近似无衍射Bessel光脉冲,并对其相关参数进行了分析与测定。和轴棱锥相比,所设计的透镜轴棱锥产生的光束不但具有Bessel光的主要特性,而且具有加工相对容易、制造成本低廉和可以实现大孔径生产等优点。

衍射和干涉理论对Bessel光传输的描述

采用衍射积分理论和干涉理论分别对轴棱锥产生的Bessel光的传输特性进行描述,并讨论了其适用条件和优缺点。数值模拟了光传输的3维强度分布,同时进行相关参数的实验测定。数值模拟和实验结果表明:在最大无衍射距离内,衍射理论能很好地描述Bessel光的轴上光强分布,当接近或超出最大无衍射距离时,干涉理论也能较好地描述Bessel光的强度分布,实验结果和理论分析基本吻合。

基于衍射原理测量石英玻璃的热光系数

热光系数是描述热光效应的基本物理量之一。目前热光系数的常见测量方法是干涉法和光谱法,但均需复杂的实验设计和较高的仪器成本。为此,提出了一种基于衍射原理测量石英玻璃热光系数的方法,仅采用一台分光计即可实现石英玻璃热光系数的测量。通过测量石英光栅的第三级衍射光栅光谱随温度的漂移曲线,得到石英玻璃热光系数1.092×10^(-5)/K,与石英玻璃热光系数理论值1.0×10^(-5)/K非常接近。

光源相干度对Bessel光最大无衍射距离的影响

理论分析和实验研究了光源相干度对其产生的Bessel光最大无衍射距离的影响.以He-Ne激光器为光源,用旋转毛玻璃法产生部分相干光,经过扩束后再用轴棱锥法产生Bessel光束.通过移动旋转毛玻璃改变部分相干光的相干度,测量其产生的Bessel光束的最大无衍射距离,得到光源相干度与产生Bessel光束最大无衍射距离的关系.结果表明,随着光源相干度的降低,Bessel光束最大无衍射距离明显变短,当相干度g≈1下降为g=0.8时,最大无衍射距离缩短了一半.用高斯-谢尔模型进行分析和模拟,理论模拟结果与实验观察结果基本吻合.

褶皱衍射光栅提升绿光量子点发光二极管的光耦合输出效率

为了解决绿光量子点发光二极管(QLED)基底模式陷入光问题,首先通过在柔性聚二甲基硅氧烷基底上蒸镀铝层,自发形成了准周期褶皱结构。这种简单、有效的方法可以制作大面积的褶皱结构,所制作的褶皱结构具有随机取向和宽周期分布的特点。然后,将褶皱结构作为外结构引入到QLED中,构筑了高效的绿光QLED。与参考QLED相比,褶皱QLED的外量子效率(EQE)从12.09%增加到16.06%,提升了32.8%;最大亮度从184600cd·m^(-2)增加到226500cd·m^(-2),在不改变发光峰位的情况下实现了基底模式陷入光的高效提取,为提升绿光QLED性能提供了一种新的选择。

椭圆高斯光束产生近似无衍射Bessel-Gauss光

研究了轴棱锥聚焦像散椭圆高斯光束的光场分布特性,根据菲涅耳衍射积分理论导出了椭圆高斯光束经轴棱锥衍射后的光场分布,通过数值积分给出椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的近轴光场强度分布情况,将其与圆高斯光束产生的近似Bessel-Gauss场进行比较,发现椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的光束在一定的传播距离内也具有无衍射特性,且轴上光强分布与圆高斯光束产生的Bessel-Gauss光束的轴上光强分布具有相似的形式,而这种无衍射光场的强度在垂直于光轴的平面上不再是柱对称分布。根据近轴球面波产生近似Bessel光束的最大无衍射距离公式计算了椭圆Bessel-Gauss光束在子午面和弧矢面上的最大无衍射距离,整个光束的无衍射距离由入射到轴棱锥上的椭圆光斑短轴方向的尺寸决定。

Bessel光束经柱透镜的衍射光场

基于空间域中的广义惠更斯-菲涅耳衍射积分理论,导出Bessel光束通过柱透镜光强分布表达式,利用计算机模拟不同传播距离处的截面光强分布.利用轴棱锥产生Bessel光束,光束经过焦距为130mm的柱透镜,用CCD拍摄柱透镜的后不同传播距离的处光强分布.结果表明:实验所得结果与理论模拟吻合,Bessel光束经柱透镜后将产生唇状焦散光束.

无衍射Bessel及Bessel-Gauss光的理论与实验

理论分析Bessel光束和Bessel-Gauss光束的相互联系及区别,数值模拟理想Bessel光束和Bessel-Gauss光束在任意平面的径向光强分布,以及光腰半径和谐振腔腔长对输出Bessel-Gauss光束的影响.模拟结果表明,相对于Bessel光,Bessel-Gauss光衰减较快,实验结果也验证了理论分析.同时,光腰半径越大,光强的径向分布衰减越慢;而腔长越大,其主模式的振幅分布衰减越慢.

利用纳米天线产生无衍射光束

本文提出利用紧聚焦的径向偏振光激发金圆柱形纳米天线产生纳米尺寸无衍射光束,通过FDTD仿真天线出射端的近场光强度分布,分析光束的横截面半高宽离开出射端的变化。结果显示:圆柱纳米天线实现了光斑半高宽在80 nm左右的无衍射光束,在离开天线出射端20~60 nm范围内光斑大小形状几乎保持不变。为了说明光束的“无衍射”特性,对比球形纳米天线,直径均为50 n m,球形纳米天线出射端光束发散明显,由于圆柱纳米天线出射端的局域场分布呈均匀细圆环状,细圆环状的纳米光源在传播中等离子体发生干涉,从而延缓了光束的发散,获得了纳米级长距离无衍射光束。

基于空间光调制器的艾里光束能量调制方法

艾里光束由于具有无衍射、自加速和自愈合等特性,具有重要的应用前景。本文基于空间光调制器可编程特性,提出了一种可调谐的艾里光束能量调制新方法。从理论上深入分析通过在相位图中引入一个可控的调制相位而实现了艾里光束能量调控的方法,并且量化了调制参数与能量调制范围的关系。仿真和实验结果表明通过改变调制相位可以灵活地调节光束能量分布,本文的研究有助于进一步推动艾里光束的应用。

光折变晶体中平面光栅的构建与研究

光折变效应在全息存储和处理方面具有重要的应用价值,光折变晶体中的全息光栅特性直接影响信息处理的质量和速度.本实验通过理论分析,计算得出Raman-Nath平面光栅的制作参量,设计实验系统并测量了LiNbO 3晶体中平面光栅的多级衍射性质,讨论了多级衍射效率和其空间分布特征.实验设计基于学生的光学知识和实验技能,向非线性光学知识和科学思辨创新方法拓展,在可调光分束器、图像处理等方面具有潜在的应用价值.

用于光场成像的超构衍射光栅阵列优化

为提高矢量光场显示亮度和视角均匀性,提出了一种应用于圆偏振光场成像的超构光栅结构。利用严格耦合波分析,逐像素对超构光栅结构进行仿真,研究了入射光偏振状态、光栅结构、入射角度对-1级光衍射效率的影响规律。仿真结果表明,圆偏振光显示可以使得光栅衍射效率稳定高效,当光栅周期为500 nm时,与基于TE和TM设计的光栅结构相比,圆偏振光设计的光栅结构衍射效率提高了18.5%和2.6%;光栅高度和占空比对衍射效率具有明显的影响。综合考虑光栅制备难度、衍射效率和视角均匀性,设计了一种高度为0.6μm,占空比为0.4的光栅阵列结构应用于圆偏振光场显示,系统衍射效率可以达到40%以上,具有较优的综合性能,对超构光栅设计制备和裸眼3D显示具有一定指导意义。

基于反常衍射近似理论的血红细胞光散射建模和仿真

光散射法是区分正常和病变血红细胞的有效方法,然而当前缺少对于病变血红细胞建模和光散射特性的研究。本文以反常衍射近似理论为基础构建了正常双凹圆饼形血红细胞以及病变椭圆形、镰刀型和聚集血红细胞的光散射模型,确定了该理论应用于血红细胞时的适用角度范围,应用数值仿真探究了异常形态、异常尺寸和异常聚集血红细胞与正常血红细胞的光散射空间分布的差异。仿真结果表明,不同半径和形态血红细胞的散射光强曲线的极值个数和对应角度均有较大差异,而聚集血红细胞散射曲线的极小值对应的角度基本一致,极小值大小有22%以上的差距。这一结论对于使用光散射法检测和区分正常和病变血红细胞以及建立血红细胞形貌特征反演算法有重要意义。

涡旋光束对二维振幅光栅的衍射

从菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式出发,从模拟和实验两方面探究了涡旋光束入射二维振幅光栅后的光场分布,分析了光栅的衍射周期和涡旋光束的拓扑荷数对光场的影响。数值模拟发现,衍射光场的强度会随着x轴和y轴逐级减弱。改变光栅的周期,对衍射级的间距产生影响,衍射级数的间距与光栅周期的大小成负相关。通过实验探究,实验结果与模拟结果吻合。通过实验证明本文的研究对产生阵列涡旋光束的方法有一定的启示。