光场纵向调控研究进展(特邀)

得益于特殊的空间结构,振幅、相位、偏振态面内调控的光场在传输及与物质相互作用过程中展现了诸多引人瞩目的新效应和新现象。随着空间结构光场的深入研究和广泛应用,沿着传输方向的光场调控也逐渐引起注意,由此发展出了一系列具有新颖传播特性,以及空间三维结构的调控光场。本文综述了针对传输方向的光场调控研究进展,包括光场强度沿纵向的调控及由此构建的特殊三维结构光场、沿纵向具有特殊传输轨迹光场的产生原理及方法、绕光轴具有螺旋轨迹传输的光场及其螺旋传输特性、光场偏振态沿纵向调控的基本原理及两类偏振态纵向调控光场。

离轴矢量光束的紧聚焦特性

基于理查德-沃尔夫矢量衍射积分理论,数值研究了离轴矢量光束经过高数值孔径透镜后的紧聚焦特性.通过对比分析偏振奇点离轴的径向、角向矢量光束紧聚焦后,焦点附近的强度和相位分布规律,提出了一种由广义柱矢量光束设计紧聚焦场的方法.此外,通过分析矢量光束自旋分量的聚焦行为和自旋轨道耦合所诱导的自旋角动量分布变化,讨论了偏振奇点离轴对称破缺对高阶矢量光束紧聚焦场空间结构,特别是其自旋角动量空间分布的影响.该研究结果不仅对矢量光场的紧聚焦特性进行了补充,也为改进和完善焦场分布提供了理论参考.

基于电介质超表面的光场复振幅调制及应用

超表面作为一种人工设计的二维阵列纳米结构,能够在亚波长尺度上实现光场波前振幅、相位和偏振态的灵活调控,为现代光学器件的小型化、集成化提供了全新的实现途径。随着光学成像、显示等应用的发展,在可见光波段具有高工作效率的微型光学器件的需求日益凸显。近年来,由高折射率、低损耗电介质材料制备的光学超表面得到了极大地发展,在消色差光学超透镜、偏振相关全息显示等方面展现出广泛的应用前景。文中围绕电介质超表面的相关研究,首先介绍广义斯涅耳定律及电介质超表面结构调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾近年来关于光场波前单一参量调控和多参量联合调控在全息显示、结构光场产生等方面的研究进展,最后讨论电介质超表面发展的可能挑战与前景。

光场偏振分布测量方法及其应用(特邀)

偏振是光的固有属性之一,用于描述电矢量的振动方向,也是光场的一个重要信息参量。光场的偏振测量,尤其是具有复杂空间结构光场的偏振分布测量,是研究光场偏振特性及其应用的重要课题。本文从偏振测量的相关原理出发,总结评述近年来有关光场偏振分布测量和材料光学各向异性测量方法的发展动态,以及不同条件下光场的斯托克斯参量、光学各向异性材料的琼斯矩阵和双折射参数的测量方法及其应用。

基于对称铰链的光纤布拉格光栅高频加速度检波器(特邀)

针对油气开采微地震监测高频检波器的要求,提出了一种基于对称铰链的光纤布拉格光栅高频加速度检波器结构,分析了该检波器的振动传感原理,利用仿真软件分析了该结构模型的谐振频率,同时对检波器的幅频特性、加速度响应灵敏度、横向抗干扰性能、冲击响应等性能进行了实验研究。实验结果表明:基于对称铰链结构的光纤布拉格光栅检波器谐振频率为1200 Hz,与利用软件仿真的谐振频率1191 Hz结果一致;在工作频率20~800 Hz,加速度灵敏度约为10.2 pm/g,线性系数为0.9998;交叉轴灵敏度约为主轴的5%;在谐振频率附近有很好的冲击响应特性。该检波器加工工艺简单、可靠性高、工作频带宽、灵敏度高、横向抗干扰性好,在石油开采等领域有很好的应用前景。

新型薄壁光纤气泡压力传感器的设计与实现

围绕海洋油气开发需要,提出了一种薄壁光纤气泡压力传感器及其制作方法。利用电弧放电法将单模光纤与空芯石英管相熔,并将乙醇锁在光纤气泡内,再利用不同强度的电弧放电使光纤气泡持续膨胀,制作出壁厚只有几百纳米的光纤气泡。与传统的光纤气泡相比,该光纤气泡具有更好的压力和温度传感特性。实验结果表明,所制备的薄壁光纤气泡具有较高的压力灵敏度,经测试得到的压力灵敏度为1313 pm/MPa,同时温度交叉灵敏度为8.644 kPa/℃。

金薄膜衬底上介质-金属核壳结构的光学力调控

采用时域有限差分法和麦克斯韦应力张量法,系统研究了金薄膜衬底上介质-金属核壳结构所受的光学力.研究结果表明:由于核壳结构与衬底之间强的等离激元模式杂化效应,其所受的光学力相较于单个核壳结构实现了一个数量级的增强;同时,通过改变激发波长,实现了局域电场分布的调控,以此观察到了核壳结构光学力方向的可控反转;进一步,详细分析了核壳结构所受光学力随其到衬底间距、内核介质的尺寸及折射率等的变化关系,以此丰富了光学力大小、方向和峰值波长的调控方法.研究结果可为精确控制颗粒/金属薄膜纳米腔的尺寸提供一种新的途径,并为调控单分子级的光与物质相互作用、研发新型纳米光子器件提供有益参考.

基于偏芯紫外曝光的光纤矢量弯曲传感器

提出并制作了一种基于偏芯紫外曝光的光纤矢量弯曲传感器。该传感器在已经制作好的迈克尔逊干涉结构上,利用偏芯曝光技术,使得光纤包层折射率的径向圆对称性发生变化,赋予干涉结构特殊的弯曲特性。同时分析了这种偏芯曝光技术包层模式非对称性的耦合的原理。实验监测了不同径向上,激发的包层模式的弯曲损耗。结果表明这种偏芯紫外曝光的迈克尔逊干涉结构具有一定的矢量弯曲的特性。在不同径向上,具有不同的弯曲灵敏度,且在受曝光一侧具有较高弯曲灵敏度,曲率灵敏度达到了5.5 dB·m。在未受曝光一侧具有较低弯曲灵敏度,曲率灵敏度为-1.31 dB·m。由于该传感器具有这种矢量弯曲的特性,可以很好地应用在油气田勘探开发、地震波矢量检测等领域。

基于焦散线理论的表面波激发光栅结构设计

焦散线理论是利用光传播轨迹切线簇构造初始波前的一种方法。基于焦散线理论设计和传输的表面波具有局域场增强、传播轨迹可控等优点,在光学显微、光学传感、调控光波耦合等方面具有重要的应用。提出了一种基于焦散线理论的布洛赫表面波激发光栅结构设计方法。利用双线性光栅结构进行数值模拟实现了可传播100μm的类无衍射表面波,并分析了光栅结构参数对表面波耦合效率的影响。进一步,根据焦散线理论设计了一种简单的光栅结构,经模拟计算,该光栅结构能够实现沿任意轨迹自加速传输表面波的激发调控。研究结果为操纵亚波长尺度下光波的传输和片上光互联的端口设计提供了一种有效途径。

斜入射下双波段双层衍射光学元件优化设计与分析

基于斜入射衍射光学元件的正常工作模式,建立了斜入射下入射角度和入射波长对双波段双层衍射光学元件衍射效率影响的数学模型,给出了对应双层衍射光学元件的优化设计方法。通过在入射角度范围内优化设计波长对,计算双层衍射光学元件微结构高度,确保了斜入射时双层衍射光学元件仍具有高衍射效率,弥补了双层衍射光学元件的缺陷。该方法能够指导双波段折衍混合成像系统的设计,也可以扩展至多波段多层衍射光学元件的设计中。依据该方法,设计了一套基于双层衍射光学元件的中/长波双波段折衍混合光学系统。结果表明,与常规设计相比,该方法的设计理论更加合理,设计结果更优。

宽温度范围双层衍射元件优化设计及应用

建立了环境温度对双层衍射元件衍射效率影响的数学模型,给出高衍射效率衍射元件的优化设计方法。通过选择宽温度范围内设计波长对,计算衍射元件微结构参数,确保双层衍射元件在基底材料确定的情况下仍具有高衍射效率,发现混合成像光学系统具有最佳像质。最后设计了一套含有此双层衍射元件的中波红外混合成像光学系统。结果表明,与传统设计相比,本文方法能够有效地改善混合成像光学系统的无热化设计像质,设计结果更好。