无衍射Mathieu光束经轴棱锥的聚焦特性

基于Mathieu-Hankel波理论分析了Mathieu光束经轴棱锥后的聚焦特性,并利用菲涅尔衍射积分理论及稳相法,推导出Mathieu光束经轴棱锥后的准确解析表达式.数值模拟了无衍射Mathieu光束经轴棱锥线性聚焦后的光场在不同传播距离处的截面光强分布及轴上光强分布.理论分析及数值模拟均表明无衍射Mathieu光束经轴棱锥聚焦后会产生周期性Mathieu光束.研究结果对扩展Mathieu光束的应用范围提供了理论依据.

部分相干光产生无衍射Mathieu光束

基于傅里叶变换下的菲涅尔衍射理论,对部分相干光产生Mathieu光束进行了理论和实验研究,并利用抽样理论和色散公式推导出Mathieu光束的光强分布表达式.数值模拟了不同传播距离处Mathieu光束的截面光强分布,并设计了实验对模拟结论进行验证.实验采用多波长蓝光LED为光源,利用带有椭圆形孔径的菲林片及轴棱锥得到Mathieu光束.模拟和实验结果均证明部分相干光可以产生Mathieu光束.研究结果对拓展Mathieu光束的应用范围提供了理论依据.

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.

高斯激光束在Fraunhofer圆孔衍射成像中的球差

基于标量衍射理论,利用Zernike多项式法构建像差函数,并将其应用到ZEMAX中,研究高斯型激光束在透镜与圆孔距离较大时的Fraunhofer圆孔衍射成像中的球差.实验和理论模拟结果表明,透镜及圆孔和透镜距离对产生球差的影响较大,当选择优化的非球面透镜、较高折射率的透镜材料和小视场时,可有效降低由圆孔和透镜距离较大而产生的球差,从而有效提升衍射成像质量.

可变光阑对高斯光束衍射特性分析

可变光阑作为常见的光学器件,广泛应用于光束整形和空间滤波.根据可变光阑的工作原理可知,其通光孔是多边弧形而非圆形,这导致当光束经可变光阑衍射时,近场会出现齿状光斑.本文对可变光阑的近场衍射图像进行了实验测量,并且采用Matlab对多边弧形的衍射特性进行了理论仿真,理论仿真结果与实验观测结果一致.

基于光学衍射神经网络的拉盖尔-高斯光束识别

拉盖尔–高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束除了轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)维度外,还拥有径向量子数p,因此LG光束可以为光通信和光计算等应用提供更多的物理自由度。但目前常见的干涉、衍射机制的LG光束模式探测方法在受到大气湍流的干扰时,识别准确率会明显下降,从而限制了其实际应用。提出了一种基于衍射神经网络(diffractive neural network,DNN)的LG光束识别方式,实现了p在1~3范围内的识别。即使在强湍流强度,衍射距离为5 m的情况下,该识别方式的识别准确率依然能达到95%以上。该DNN方法能够为准确识别LG光束模式提供有效途径,在大容量OAM通信、高维量子信息处理等方面均具有潜在应用价值。

基于轴棱锥产生近似无衍射Mathieu光束的新方法

提出了一种基于轴棱锥产生零阶近似无衍射Mathieu光束的新方法,利用轴棱锥聚焦具有椭圆高斯振幅调制的平面波,得到近似零阶无衍射Mathieu光束.根据椭圆高斯平面波经轴棱锥衍射的衍射积分公式,对光强分布进行了数值模拟,依据几何光学模型计算了近似无衍射Mathieu光束的最大无衍射距离,并设计了实验对理论模拟的结果进行了验证.实验采用柱透镜和准直扩束系统变换圆高斯光束产生具有椭圆高斯振幅调制的平面波,用轴棱锥聚焦该平面波后得到近似无衍射Mathieu光束,实验结果与理论模拟和计算相符.

无衍射Mathieu光束自重建特性的理论和实验研究

首次对无衍射Mathieu光束的自重建特性进行理论和实验研究,利用Mathieu-Hankel波理论分析了Mathieu光束的自重建机理.基于菲涅尔衍射积分理论,推导出了高斯吸收型圆形障碍物部分遮挡后的Mathieu光场重建后的解析表达式,并数值模拟了无衍射Mathieu光束的经圆形障碍物部分遮挡后光场的自重建过程.采用柱透镜-轴棱锥组合光学系统产生近似零阶无衍射Mathieu光束,实验分别验证了轴上和轴外障碍物遮挡时近似零阶无衍射Mathieu光束的自重建特性.理论模拟与实验结果相符.

基于旁瓣光束衍射反演的远场测量旁瓣波峰参数检测方法

针对强激光远场测量不能有效识别旁瓣光束任意方向各个旁瓣波峰参数的问题,提出了基于旁瓣光束衍射反演的远场测量旁瓣波峰参数的检测方法。对旁瓣光束图像按照选定的角度采样间隔进行量化,使用角度变换将二维旁瓣光束图像转化为全方向的一维旁瓣光束曲线集合,检测每一个角度的一维旁瓣光束曲线的各个旁瓣波峰参数,从而获得旁瓣光束任意方向各个旁瓣波峰的参数。主要优化措施为:(1)使用角度变换将二维旁瓣光束图像转化为全方向的一维旁瓣光束曲线集合;(2)检测每一个角度的一维旁瓣光束曲线的各个旁瓣波峰的参数,统计所有方向的各个旁瓣峰值,生成每个旁瓣波峰的极大值圆环;(3)统计每个旁瓣波峰极大值圆环的灰度均值,将各个旁瓣波峰极大值圆环的灰度均值与本底噪声进行比较,选择大于本底噪声1.5倍的最小波峰均值为整个旁瓣光束的最小可测旁瓣波峰信号。实验结果表明:该方法能够有效检测旁瓣光束任意方向各个旁瓣波峰的参数,任意方向上灰度极大值均值与理论值灰度极大值误差为0.477,5个波峰的极大值圆环半径均值与理论值半径之间误差小于1个像素。该方法提高了基于旁瓣光束衍射反演的远场测量的实验精度和可信度,为将来大科学装置强激光远场的精确测量奠定基础。

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。

面向光束整形的自由曲面衍射光学设计方法(特邀)

光束整形技术能够实现激光光束能量分布的良好控制,在激光加工、医疗、激光核聚变等方面具有广泛的应用前景。光束整形方法主要分为几何光学方法和物理光学方法两大类,其中几何光学方法由于忽略了衍射效应,导致一些情形下的光束整形效果不够精细,但却能为物理光学方法提供良好的优化起点。结合几何光学方法和物理光学方法的复合设计方法能够设计出易于加工的自由曲面衍射光学元件,同时能抑制杂散光和散斑噪声。首先回顾了物理光学方法,然后综述了几何光学-物理光学复合设计方法的研究进展,最后对衍射光学元件设计方法的未来发展方向进行了一定的展望。

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。

夫琅禾费衍射中的“反常”现象与模拟

在用氦氖激光器作为光源的夫琅禾费单缝及多缝衍射实验中,衍射光强分布曲线中央零级明纹处出现与理论图样不符的下凹的异常现象.考虑到衍射片镀膜层部分有微弱透光,本文构建了衍射片镀膜层透光条件下的非理想单缝/多缝衍射模型,并通过基尔霍夫衍射公式及高斯光束电场公式,推导得到高斯光束照射下非理想单缝/多缝衍射的衍射光强分布公式,利用数值模拟成功复现了观察到的异常现象,证实了其主要来源是缝附近镀膜层的微弱透光.

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.

低频声表面波对细激光束的衍射效应

对于频率为几十赫兹的液体表面声波,实验上观察到反射光所形成的稳定、清晰的激光干涉图样.改变表面声波振幅,进一步发现了干涉图样的调制效应.调制效应明显地表现为干涉条纹的缺级,并且随表面声波振幅变化.依据波动光学原理,分析了调制作用下光束干涉所产生的光强解析分布及条纹特征,得到了干涉条纹角宽度与表面声波之间的解析关系,并据此对表面声波的特性参量波长和振幅及各级条纹相对光强分布规律进行了测定.

无衍射光束在激光三角测量系统中的应用研究

无衍射贝塞耳光束是近年来国内外极为重视的一个新兴研究领域。这种光束同时具有焦深长，中心光斑小的特点。利用这一特点，作者首次提出将其作为入射光束应用于激光三角测量系统，以解决传统激光三角测量系统无法满足大量程与高分辨率测量要求的问题。文中给出了无衍射光束的理论及实现方法。在三角测量物象位置关系的基础上，设计了无衍射激光三角测量系统及其参数并给出了实验结果。理论分析与实验结果表明，这种新型系统明显优于传统的三角测量系统。

无衍射光束理论与实现

无衍射光束具有中心光斑直径小且传播距离远的特点。将其应用于光学精密测量可以解决许多传统光学无法解决的难题。本文给出零阶及高阶贝塞耳无衍射光束理论及实现方法，并给出各种实现方法的比较及无衍射光束的应用范围。

超短脉冲激光光束在一维反射型体全息光栅中的衍射

基于Kogelnik的耦合波理论,研究了在色散效应的影响下,超短脉冲激光光束在反射型体全息光栅中衍射的性质·研究给出了衍射光及透射光在频谱域及时间域的振幅及强度分布、光栅的光谱宽度及衍射效率随光栅参量及入射条件的变化·数值研究的结果表明,在光栅记录介质色散效应的影响下,衍射光束的光谱宽度减小,脉冲展宽,衍射效率降低·通过适当的选取光栅参量及入射条件,可以控制衍射和透射光束的频谱和时间强度分布,得到满意的衍射和透射光束的带宽和波形,从而可以将其应用于脉冲整形等技术中·

高斯光束微圆孔衍射的“再现”与“自再现”研究

由基尔霍夫衍射公式得到高斯光束微圆孔衍射的积分式,导出一种解析算式,分析并模拟了高斯光束微圆孔衍射的"再现"与"自再现",有利于在激光工程、微光学以及微光机电中对激光束的传输变换和调控。