毫米波衍折射透镜系统焦区矢量场快速分析

将快速分析单个二元衍射透镜焦区标量场的射线衍射传播法发展为矢量射线衍射传播追迹法,此方法能快速有效地分析二元衍射透镜及折射透镜组合光学系统的焦区矢量场,获得相应的成像性能。与二维时域有限差分法(2D-FDTD)相比,矢量射线衍射传播追迹法的计算时间显著缩短。矢量射线衍射传播追迹法与2D-FDTD计算结果及实验结果对比验证了其正确性。     

偏振光波的矩孔矢量夫琅禾费衍射

利用瑞利—索末菲矢量衍射公式导出偏振光波矩孔矢量夫琅禾费衍射的解析计算式,通过模拟实验研究了椭圆偏振光的一般孔和亚波长孔的矢量夫琅禾费衍射情形,可应用于偏振光波偏振度检测和偏振成像等方面,表明所得计算式的有效性和可靠性,可在微光学、近场光学、衍射成像、光束传输变换以及光信息处理等方面发挥作用。     

非傍轴矢量衍射光束的能量传输

为了研究平面波经微小孔衍射的能量集中度,运用严格的矢量衍射理论以及非傍轴光束横截面上光强的精确表示和功率密度表示,进行了详细的数值计算和比较研究。研究结果表明,衍射光束的能量集中度与传输距离、衍射孔径、光斑半径等参量有关,通过对光学系统参量的控制,可得到合适的能量集中度。这些结果对光纤探针能量传输特性的研究具有重要意义。     

四瓣高斯光束经过偏心圆孔限制的矢量非傍轴传输

基于矢量瑞利-索末菲衍射积分,建立了非傍轴条件下四瓣高斯光束经过偏心圆孔光阑在自由空间传输的矢量场模型。选取倾斜光轴作为参考光轴,借助于硬边圆孔的复高斯级数分解,得到了近场模型下衍射场分布的矢量解析式。通过数值计算和模拟,详细讨论了f参数、光束阶次、衍射孔位置和截断参数对像场分布的影响,包括衍射场主瓣强度的位置和光束宽度。这些结论有助于更好地理解四瓣高斯光束在离轴非对称光学系统中的传输特性。     

矢量空心光束的半屏衍射

利用矢量瑞利——索墨菲衍射积分公式推出了空心光束半屏衍射场中衍射场的解析表达式,并数值模拟了衍射场的光强空间分布及强度奇点的相关属性。结果表明：衍射场光强已不再是空心分布,发生了很大的改变;随着衍射传输距离的增大,衍射场光强的空间分布退化为类TEM02模场分布;随着传输距离的增大,衍射场观察区域内光强奇点出现湮灭等。     

红外合成孔径衍射光学系统成像特性建模与分析（英文）

基于衍射成像机理,建立红外合成孔径衍射光学系统调制传递函数（MTF）和信噪比（SNR）模型。随后,基于三维时域有限差分（FDTD）方法计算成像系统衍射效率,进而结合调制传递函数与信噪比表征系统成像特性。最后,分析了不同工作波长、视场和填充因子对主镜成像特性的影响。分析结果表明,红外合成孔径衍射光学系统的衍射效率、MTF和信噪比均具有空变、谱变特性,且随主镜填充因子的减小而降低。当填充因子为0.6时,与理想的全孔径系统相比,MTF积分面积降低45.42%,信噪比减小4.92 dB。该模型可用于分析红外合成孔径衍射光学系统成像质量,为成像系统的设计提供参考。     

不同衍射计算方法比较及误差分析

对多种衍射计算方法进行了比较及误差分析,为衍射计算方法的合理选择提供了指导.研究表明衍射距离小于波长的情况下,经典标量衍射或矢量衍射都有较大误差,需要使用电磁场仿真软件进行计算;波长量级下矢量衍射模型较为准确;一般距离下,矢量衍射与标量衍射计算结果几乎一致.标量衍射模型中积分法和角谱法计算结果的差距随着衍射距离的增加逐渐增大.相同物理尺寸下积分法的结果更加准确.增加网格采样点数只能够提高积分法的精度,对于角谱法可以通过增加衍射平面的物理尺寸来降低计算误差.通过物理实验验证了计算结果的正确性.     

相干与非相干照明衍射受限系统成像仿真

实际观测系统必须考虑衍射对成像的影响。依托Matlab软件平台,以最简单的衍射受限光学系统—单个无几何像差薄透镜成像为例,分别以瑞利观点和阿贝观点为理论基础,仿真了系统在相干和非相干照明下的成像,并比较了各自的成像特点。这些工作有助于理解衍射受限系统成像机理和特点,相关程序和算法可以推广到其它有衍射效应系统的成像计算。     

基于薄金属圆盘近场衍射的固态-原子混合系统

为实现纳米器件表面冷原子的囚禁,需深入研究圆盘矢量衍射在近场中的传播规律。文中采用有限元方法研究了线偏振平面波经过亚波长薄金属圆盘的衍射问题。研究发现在近场范围内,衍射场中不仅存在原偏振方向的入射场,而且在其它两个垂直方向上也有强度分布(随着传播距离增大很快衰减消失)。在此基础上,文中提出一种薄金属圆盘与原子耦合的混合系统。薄金属圆盘矢量衍射在近场形成的亚波长势阱,可以对100 nm以内单个或少量冷原子进行囚禁。通过改变圆盘参数,可以对混合系统中原子势阱的囚禁距离与势阱体积进行调控。该结果对微纳米光学器件研究及原子物理提供了一种新的混合系统方案。     

折衍射混合成像光学系统设计

讨论了衍射光学元件的特殊成像性质; 提出了带宽积分平均衍射效率的概念和应用; 给出了作者在国内外完成的几个折衍射混合成像光学系统的应用实例, 包括一个用衍射光学元件复消色差的长焦距光学系统, 一个仅由两个镜片构成的CMOS 相机光学系统和一个较复杂的中等焦距、大孔径、大视场照相系统。这些系统突破了传统光学系统在结构、性能、体积和重量方面的限制, 在光学设计理论上具有重要意义, 在工程应用上具有重要价值。还介绍了国外衍射光学制造技术和折衍射混合成像光学系统应用方面的最新进展。     

畸变的衍射机理及其计算与校正研究

从基于点源圆孔衍射的成像原理出发得到了仅有畸变像点的光场分布的计算式,分析探讨了畸变的衍射机理及其计算与特征以及校正方法,模拟实验表明了这一理论和方法的可行性,有助于光学设计中对畸变进行像差平衡与校正和光学加工中对畸变的检测与修正以及数码成像系统中对畸变做电子校正等。     

关于标量衍射理论在二元化透镜设计中的应用极限的探讨

本文分别用菲涅耳衍射公式和瑞利－索末菲衍射公式对不同数值孔径的二元化透镜的衍射问题进行了计算机模拟，给出了计算结果，从中得出了菲涅耳衍射公式和瑞利－索末菲衍射公式各自的应用范围。并对大数值孔径二元化透镜设计中的应用严格电磁理论问题作了讨论。     

非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束的矩孔衍射

根据矢量瑞利衍射积分公式,对非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束的矩孔衍射进行了系统的研究,给出了矩孔衍射的解析表达式,并将非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束矩孔衍射轴上、近场、远场和单缝衍射光场分布,非傍轴离轴矢量高斯光束以及非傍轴矢量高斯光束的自由空间传输作为特例统一于一般表达式中,研究表明,在矩孔衍射中,f参数,截断参数以及相对离轴参数共同决定着光束的非傍轴行为.     

光栅衍射缝间干涉因子次极大强度对称性的菲涅耳半波带法证明

本文用菲涅耳半波带法推导出了一个非常有用的次极大位置公式，将该位置公式和振幅矢量法求出的次极大位置结合起来，方便地求出了缝间干涉因子的次极大的强度，证明了缝向干涉因子的次极大强度具有对称性。避免了对振幅矢量法求次极大位置这个方程的直接求解，因为用该方法求出的次极大强度与理论值完全符合，说明菲涅耳半波带法不但可以用来分析单缝衍射，同时还完全能够用来分析光栅衍射。     

二元光学元件制作误差的振幅矢量分析法

本文用振幅矢量法分析二元光学元件的制作误差对衍射效率的影响,以四位相台阶光栅为例导出了衍射效率与对位误差、刻蚀深度误差的解析式并进行了讨论。整个处理方法对2n位相台阶的二元光学元件具有普遍意义。     

平面波圆环光阑衍射的边界衍射波理论

根据Maggi-Rub inowic边界衍射波理论和亥姆霍兹-基尔霍夫积分定理,给出了平面波圆环边界衍射波积分公式.圆孔、圆屏衍射以及轴上光场分布可作为其特例得到.分析了衍射场的轴上光强分布特点.数值计算比较表明,使用文中所给公式与直接用基尔霍夫衍射积分公式作数值计算的结果完全一致,而在近场使用瑞利衍射积分与文中结果有较大差异.     

离轴三反射式光学系统设计

在三反射镜光学系统的几何光学理论基础上,详细讨论了三反射式光学系统的设计方法,从初级像差理论出发推导出了三反射式系统初始结构的计算公式,并且得出了系统结构形式与其基本结构参数和焦距之间的关系。通过设计实例讨论了不同的三反射式光学系统的特点及其应用。设计了大视场、小F数且实现衍射极限成像的光学系统,且能有效抑制杂散光。     

双光栅成像中的汇合级光能量

从光传播基本理论和光栅衍射性质出发,研究了双光栅成像效应中的光能量传递,得到了确定汇合级光强的表达式.结合双光栅成像方程,分析了两光栅的衍射性质与成像位置对汇合级光能量的影响.分析表明汇合级光强与两光栅具体的衍射效率和双光栅成像时的位置密切相关.测量了三组不同类型双光栅成像系统的汇合级光能量,实验结果和理论分析基本一致.