超声速自由旋涡气动窗口的气动光学特性计算与分析

笔者讨论了超声速自由旋涡气动窗口的气动结构,对设计的超声速自由旋涡气动窗口射流流场及超声速自由旋涡气动窗口的光学性能进行了分析研究。研究了自由涡射流对透射激光产生的气动透镜效应,给出了计算结果。

不同材料硬性透氧性角膜接触镜表面细菌黏附能力的对比研究

背景角膜接触镜的佩戴可能会增加角膜感染的机会，一些研究认为角膜接触镜材料的透氧性与角膜感染的发生有关。目的比较用于制作硬性透氧性角膜接触镜（RGP—CL）的材料，如氟硅丙烯酸酯A（XO）、氟硅丙烯酸酯B（EO）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）表面对金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和铜绿假单胞杆菌的黏附情况。方法分别将3种RGP—CL镜片材料置于3种细菌悬液中培养24h，采用MTT比色法、旋涡震荡菌落计数法和扫描电子显微镜观察并比较3种材料表面黏附细菌的能力。结果MTT比色法结果显示，XO制镜材料对金黄色葡萄球菌的黏附能力（A值）明显低于EO材料和PMMA材料，差异均有统计学意义（q=7．379、8．207，P〈0．01），但EO材料与PMMA材料对金黄色葡萄球菌黏附能力的比较差异无统计学意义（q=0．828，P〉0．05）；XO材料及EO材料表面表皮葡萄球菌的黏附能力低于PMMA材料，差异均有统计学意义（q=14．000、12．800，P〈0．01），而XO材料与EO材料间表皮葡萄球菌黏附能力的比较差异无统计学意义（q=1．200，P〉0．05）；3种材料对铜绿假单胞杆菌的黏附能力（A值）差异无统计学意义（F=2．155，P=0．138）。旋涡震荡菌落计数法结果显示，XO、EO、PMMA材料表面金黄色葡萄球菌的黏附数量分别为（37．9±1．5）x10^6、（49．9±2．2）x10^6、（67．4±1．6）×10^6个，差异有统计学意义（F=206．240，P=0．000），EO材料、PMMA材料表面金黄色葡萄球菌菌落计数明显高于XO材料，差异均有统计学意义（P〈0．01）。XO、EO、PMMA材料表面表皮葡萄球菌的黏附数量分别为（7．94-1．3）×10。、（10．5±1．5）×10。、（11．2±1．2）×10。个，XO材料表面表皮葡萄球菌的黏附数量明显低于PMMA材料，差异有统计学意义（q=5．060，P〈0．05），XO材料与EO材料、EO材料与PMMA材料之间表皮葡萄球菌黏附数量的差异均无统计学意义（q=3．290、1．770，P〉0．05）。3种材料表面铜绿假单胞杆菌的黏附数量差异无统计学意义（F=0．232，P=0．799）。扫描电子显微镜观察显示，XO材料和EO材料表面金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的黏附呈散在性分布，而PMMA材料表面这两种细菌黏附形成“网状”外观，3种镜片材料表面铜绿假单胞杆菌形态无明显差别。结论PMMA材料表面细菌的黏附能力强于XO材料和EO材料，RGP—CL的透氧性对镜片表面细菌黏附的能力无明显影响。

聚焦部分相干涡旋光束的传输和相干特性

根据部分相干光的传输理论,研究了部分相干高斯-贝塞尔涡旋光束通过光阑透镜聚焦后的传输和空间相关性质.数值计算结果表明,涡旋暗核的大小和焦平面上的光谱相干度都取决于入射光的拓扑电荷n、截断参量δ、相对相干长度σg和参量α.当选择适当的参量,在几何焦点附近会出现局域空心光束.研究还发现在焦面上光谱相干度会产生一个或多个的相位奇点(相干涡旋),而且拓扑电荷和相对相干长度会对相干涡旋的位置和个数产生影响.在相干极限下,相干涡旋可逐渐演变为光学涡旋.

微波段超构表面对电磁波波前的调控研究

文章回顾总结了本课题组近期关于微波段超构表面的研究进展。首先推导了单层超构表面的透射效率极限值,并设计实现了对交叉圆极化电磁波波前的有效人工调控。进一步基于等效滤波器的理论模型,推导了多层超表面的基本结构特性,在此基础上设计了能够分别工作于线极化及圆极化入射波条件下的多层超构透镜,实现了微波涡旋波束的高效激发,以及对正交圆极化的内在对称性进行人为解耦等多重波前调控。经过一系列的仿真分析和实验验证,我们所设计的微波段单层、多层超构表面均可产生符合预期理论设计的调控结果。这些研究进展为电磁波调控器件的平面化提供了有效的理论依据,加快了超构表面在无线通信技术领域的应用和发展。

涡旋光束拓扑荷值的柱面镜测量方法研究

提出了一种利用柱面镜测量涡旋光束拓扑荷值的方法。首先,基于空间光调制器、利用计算全息法生成了拉盖尔-高斯（LG）涡旋光束;然后利用柱面镜对径向指数p=1,2,角向指数l=1~5的LG涡旋光束进行光束变换,实验结果表明：当涡旋光束通过柱面镜后,其中心暗核将发生劈裂,劈裂后的暗核数与涡旋光束的拓扑荷数值相等,以此实现拓扑荷值的测量。此外,为进一步验证该方法的准确性,利用涡旋光束与平面波干涉测量方法进行了对比分析;结果表明：基于柱面镜的涡旋光束拓扑荷值测量方法可有效测量LG涡旋光束的拓扑荷值;并且具有测试系统简单、光路调节简便的优点。

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。

利用柱透镜调控涡旋光束的拓扑结构

提出了一种利用柱透镜调控涡旋光束拓扑结构的方法.利用计算全息法制作的叉形光栅掩模板,实验获得了具有不同拓扑荷的涡旋光束,分析了涡旋光束通过柱透镜变换后的强度和相位分布.结果表明,涡旋光束经柱透镜变换后,其拓扑荷符号将发生改变,并且高阶涡旋光束退化为多个分离的一阶涡旋光束.利用高阶激光模式的线性叠加特性以及古依相移对实验结果进行了理论解释,并通过数值模拟对实验结果进行了验证.

基于300μm微片激光器生成涡旋空心光束的研究

为了探究涡旋空心光束在端面抽运Nd∶YVO_(4)微片激光器中的生成条件及其变化因素,构建了一种基于轴棱锥-透镜组生成环形抽运光的新方法。采用ZEMAX对抽运光进行了仿真分析,并基于热效应分析进行了模式匹配计算,通过实验成功得到了环形抽运光和环形空心激光输出,并通过实验验证了输出光为1阶涡旋光。结果表明,该方法能够生成光束大小可控的808nm抽运光,其光斑半径可随轴棱锥锥顶与透镜焦平面的相对位置快速变化;并且该抽运光能够使谐振腔长度为300μm的微片激光器输出稳定的1064nm 1阶拉盖尔-高斯涡旋空心光束。此研究结果对于微片激光器输出涡旋空心光束的实际方法的建立具有重要的指导意义。

基于Thue-Morse透镜的轴向多涡旋光束

基于Thue-Morse非周期数学序列设计了一种新型衍射光子学元件——Thue-Morse多焦点涡旋透镜。与菲涅耳涡旋透镜相比,该类型透镜沿轴向具有多个聚焦涡旋且对称位置处的聚焦涡旋具有同等强度。理论与实验证明,Thue-Morse涡旋透镜具有独特的光学性质。该类型透镜可以产生涡旋光束阵列,实现多平面金属微粒、低折射率介质微粒等的束缚,在微纳光学领域具有潜在的应用价值。

非正则光涡旋通过倾斜透镜的动态传输

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式,研究了寄居于高斯光束背景下含有相位拓扑荷(拓扑电荷)m=+1、+2的非正则光涡旋通过倾斜透镜后的动态演化特性.研究发现,拓扑电荷m=+1的非正则光涡旋通过倾斜透镜后非正则度和拓扑电荷保持不变;而由于非正则度的影响,拓扑电荷m=+2的非正则光涡旋通过倾斜透镜后会分裂成两个拓扑电荷为m=+1、非正则度相等(等于初始面处拓扑电荷为+2的非正则光涡旋的非正则度)的非正则光涡旋.通过倾斜透镜传输后非正则光涡旋的位置取决于相对传输距离、离轴参数、非正则参数、倾斜因子、束腰宽度,且在传输过程中拓扑电荷总和保持不变.

透镜球差对拉盖尔-高斯涡旋光束聚焦特性的影响及改善方法

涡旋光场调控对涡旋光在激光通信、生物操控等领域的应用研究具有重要意义。为了揭示透镜球差对拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian, LG)涡旋光束传输特性的影响,本文基于菲涅尔衍射理论,模拟研究了不同透镜球差系数下的LG光束聚焦场的强度、相位以及螺旋谱分布。结果表明:光学系统初级球差系数的增大恶化了LG光束聚焦场的强度分布和螺旋相位,弥散了轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)。由此,本文提出了一种光阑补偿方案,通过在透镜前添加大小合适的圆孔光阑,以消除透镜像差。光阑补偿后的LG光束聚焦场由星芒状空心分布恢复为空心圆环分布,OAM态保持单一稳定。本研究工作为改善透镜像差对涡旋光的传输影响提供了解决方案。

基于Nd:GdVO_4晶体的自锁模皮秒涡旋光

基于Nd:GdVO_4晶体研究了自锁模拉盖尔-高斯(LG)涡旋光束。通过不断调节谐振腔内的损耗实现厄米-高斯(HG_(00)和HG_(02))模式稳定的皮秒自锁模激光输出。模式转换器可将HG_(02)模式转换为LG_(02)模式稳定的皮秒自锁模涡旋脉冲,锁模脉冲频率为1.35 GHz。LG_(00)和LG_(02)模式锁模脉冲的平均输出功率分别为484 mW和371 mW,斜效率分别为30.3%和19.3%。

共轴非正则光涡旋通过无光阑透镜的演化

基于广义惠更斯一菲涅尔衍射积分公式，得出了初始面处寄居于高斯光束中的拓扑电荷为＋2的共轴非正则光涡旋通过无光阑透镜后在考察面处的场分布，并且详细研究了非正则光涡旋在几何焦平面上的演化特性。指出2阶非正则光涡旋通过无光阑透镜后会分裂成两个拓扑电荷均为＋1的非正则光涡旋，这两个光涡旋的位置取决于非正则参数、束腰宽度以及焦平面与考察面的距离，且在传输过程中拓扑电荷总和保持不变。