高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

卡式系统装调对高功率激光光束远场聚焦性能影响研究

以广义惠更斯-菲涅尔衍射理论为基础,采用Zernike多项式描述像差光束畸变波前相位,研究超高斯光束因卡式系统加工和装调导致波像差劣化后,通过传输在远场聚焦性能。分析主次镜系统波像差下降到1/13λ左右时,对应像散和慧差对聚焦位置处光强分布和光斑桶中功率PIB影响。结果表明:相对理想系统,像差会导致聚焦位置处光束展宽,80%处桶中功率PIB下降明显,但对应95%能量范围光斑直径在设计值允许范围内,仍然满足总体使用要求。     

光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响

衍射光学元件（DOE）对入射光束的波长、束宽、光束质量等参数都有很高的要求,其中光束质量的影响无法直接通过相干光场的衍射积分得出。本文利用高斯谢尔模型（GSM）光束分析了光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响。采用对称迭代傅里叶变换算法设计了输出平顶光斑的DOE。用模式分解的方法研究了不同光束质量的光束经该DOE后的输出光斑,发现光束质量因子增加会使输出光斑平顶区尺寸减小,导致DOE失效。从交叉谱密度出发,表明DOE的输出光斑是相干部分和非相干部分的卷积,其中非相干部分是导致输出光斑劣化的原因。给出了平顶衍射光学元件适用的最大M2因子与输入和输出光束尺寸之间的关系。给出了一种GSM光束整形DOE的设计方法,该方法有助于在低光束质量激光器中实现DOE的应用。     

光学仪器 天文光学仪器

TH7512006032737天文学自适应光学成像望远镜的模拟=Si mulation of anastronomical adaptive optics i maging telescope[刊,中]/陆长明(北京跟踪与通信技术研究所.北京(100094)),饶长辉…∥光电工程.—2006,33(1).—20-23为分析天文学自适应光学(AO)望远镜中AO系统的校正性能,利用Matlab仿真其成像过程。采用正交基为Zernike多项式的自相关法产生符合大气统计特性的大汽相位屏,仿真平行光通过大气后的瞬时畸变波前相位;采用快速傅里叶变换仿真哈特曼-夏克波前传感器的成像光斑,根据实际成像与参考平面波成像的质心坐标之差,计算波前传…     

亚波长孔径光纤点衍射波前质量分析

利用亚波长孔径光纤点衍射可同时得到大数值孔径和高亮度的点衍射球面波前,进而解决了针孔点衍射和单模光纤点衍射中分别存在的点衍射波前能量微弱和最大孔径角小的不足。基于矢量衍射理论的时域有限差分(FDTD)方法对点衍射球面波前质量进行仿真分析,研究了亚波长孔径光纤的孔径、锥角、镀膜厚度、数值孔径范围等因素对点衍射波前误差、最大孔径角、能量透射率和强度分布均匀性的影响。仿真结果表明,当亚波长光纤孔径为0.5μm,点衍射波前最大孔径角超过90°,能量透射率大于29%,对应数值孔径为0.60的点衍射波前误差均方根(RMS)值优于0.0011λ。仿真结果验证了用亚波长孔径光纤点衍射实现大数值孔径和高亮度的点衍射球面波前的可行性,并为实际系统中亚波长孔径光纤的相关参数的选择提供了精确的数值依据。     

畸变光束的焦斑质心位置

 为分析振幅和相位发生畸变情况下光束焦斑质心位置所受的影响，以光波标量衍射理论中的夫琅和费衍射公式为基础，根据光斑强度分布一阶矩质心位置的定义，推导了直接依赖于光束近场复振幅分布的焦斑质心位置的一般表达式。进一步推导了焦斑质心位置对光束近场强度分布和相位斜率分布的依赖关系式，并对该式清晰的物理意义进行了阐述。利用焦斑质心位置表达式，可分析和确定由于振幅调制和相位畸变导致的质心位置偏移。最后，对无相位畸变和存在低阶泽尼克相位畸变情况下的简单畸变光束进行了相应的分析讨论。     

低频液体表面波激光衍射条纹的特征

用激光衍射法实现了低频液体表面波稳定、清晰、反衬度非常高的条纹,并发现了缺级现象.理论上分析了表面波的光衍射效应,得到了衍射光场和表面波之间的解析表达式,表达式包括衍射因子和干涉因子.通过对衍射因子和干涉因子的分析,得到衍射条纹空间分布与表面波波长的关系、条纹的半角宽度与入射激光光斑覆盖表面波的个数和入射方向的关系、衍射光强度与表面波振幅的关系,并解释了条纹缺级现象.     

散射成像法测量激光强度分布中的光斑畸变校正

在利用散射成像法测量激光强度分布中,CCD像面与散射屏平面存在较大角度时,光斑形状和强度分布都会产生严重畸变,给强度分布测量带来较大影响。分析了畸变产生的原因,给出了畸变坐标和理想坐标的数学模型,提出一种结合CCD像素合并的网格法来校正这种畸变。"网格法"利用自制标准网格成像,通过识别网格像边界来确定标准网格和畸变网格的对应关系,利用此对应关系在输出图像时恢复光斑;利用均匀光源成像来校正系统光强分布畸变。结果表明,该方法能够较好地校正光斑的形状畸变;能够实时恢复光斑的真实光强分布,单元强度畸变恢复误差小于1%。该校正方法在激光强度分布散射成像测量中非常实用。     

光学综合孔径望远镜成像分析及计算机仿真

阐述了光学综合孔径(OSA)望远镜成像原理以及综合孔径望远镜的几种实现形式；采用快速傅里叶变换(FFT)算法得到了任意子孔径综合模式下的点扩展函数(PSF)和光学传递函数(OTF)分布；从子孔径结构排列、共相位、图像恢复几个方面论述了光学综合孔径的成像特征。初步分析了稀疏率、填充因子、“实际截止频率”等因素对光学综合孔径望远镜成像的影响。分析和仿真结果表明：光学综合孔径通过相干成像不但可以突破传统单孔径系统的口径局限获得极高的成像分辨率，而且对于实现空间光学遥感系统轻量化和模块化都具有重要意义。     

二维线性调频Z变换用于光束质量β因子计算

本文提出了一种基于二维线性调频Z变换的衍射光场分布快速计算方法,该方法在不增加运算量的情况下可以显著提高光场分布的图像分辨率,进而能够得到更准确的光束质量β因子值。在算法正确性验证的基础上,本文数值模拟了不同光束波前畸变的均方根RMS值与光束质量β因子的对应关系。仿真结果表明,在像差分布RMS值相同的前提下,几种低阶像差类型中球差类型的像差对光束质量的影响最大。为了模拟不同光斑分布形态,随机Zernike像差组合方式的光束质量β因子的仿真计算结果表明:相同的RMS值情况下,高阶像差占比较高的像差组合方式对应的光束质量β因子较大。     

K-F系统中的波前相位调制与光强调制的转换

研究在由一薄片Ｋｅｒｒ 介质与一块二维反馈镜组成的非线性光学系统中光波前相位与光强的转换过程。根据基尔霍夫衍射定理,导出了单一模式以及小畸变近似条件下多个模式的相位－ 光强转换关系的方程。结果证明：通过衍射,入射波前相位各阶Ｚｅｒｎｉｋｅ 模式成分的大小转换为反馈光光强的非线性调制。     

Diffraction of a modulated laser beam in 3ω optics system

Based on diffraction optical theory, diffraction of a laser beam with periodic amplitude modulation and phase distortion is derived in 3ω optics system. Influence of defocus distance and focal length of a focusing lens on intensity distribution of diffraction light is investigated by numerical simulation. The results show that appropriate distance away from the focus spot and increase the focal length in final optical systems are beneficial to control the modulation of light intensity fluctuations and reduce the optical components damage caused by small-scale self-focusing effect.     

湍流等离子体鞘套中高斯光束的传播特性分析

为了研究高斯光束在湍流等离子体鞘套中的传输特性,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法,用多随机相位屏来模拟湍流带来的影响.根据超声速飞行器绕流等离子体流场厚度在厘米级别的特点,光束在两个相位屏之间的传输过程中采用菲涅耳衍射积分的两次快速傅里叶变换算法(double fast Fourier transform algorithm),利用多随机相位屏模拟等离子体鞘套湍流对光束传输产生的影响,解决了多随机相位屏模拟湍流研究中的超短距离传输问题.当飞行高度为45 km,飞行速度为18马赫时,通过对超声速飞行器绕流等离子体流场的统计分析,发现在此飞行条件下折射率起伏方差的强度范围10~(–11)—10~(–14).对高斯光束在湍流等离子体流场中的传输特性进行了数值仿真.结果表明:在等离子体鞘套湍流中折射率起伏强度、波长、传输距离等都是影响高斯光束质量的重要因素.折射率方差越大,传输距离越长,光斑弥散越严重,光强起伏越大,光强减弱也越明显.光束的波长越长,高斯光束抑制湍流的能力越强,光斑弥散程度越小,光强起伏也越小.     

基于低相干光的阵列透镜束匀滑技术研究

基于激光加载的材料状态方程的实验研究对靶面光强分布的均匀性及稳定性提出了极高的要求,靶面光强的上述两大特性在很大程度上决定了实验结果的精度和可重复性.本文针对传统窄带高相干激光装置在激光加载材料状态方程实验中表现出的靶面光强均匀性和光强分布稳定性两方面可能存在的问题,提出了基于宽带低相干激光,利用消衍射阵列透镜联合诱导非相干技术的束匀滑方案,并重点分析了波前相位畸变对靶面不均匀性及稳定性的影响.模拟结果表明,该方法明显降低了靶面不均匀性,提高了对波前相位畸变的包容度,获得了均匀、稳定的光强分布.统计分析显示,焦斑强度分布极差和不均匀性与波前相位畸变均方根梯度相关性较强.因此,可以根据统计结果以及实验对焦斑强度分布的要求,给出波前相位畸变的容差范围,对状态方程实验中激光驱动器参数的设计与优化具有指导意义.     

无衍射光经望远镜系统的变换

对于轴锥镜透镜产生的无衍射光，它的中心光斑半径和无衍射距离是固定的，一旦应用中要求新的光束参数，则只能再制造一个新的轴锥镜透镜。本语文提出了种用普通球面透镜望远为改变无衍射光束参数的新方法，该方法是基于无射光和环光源之间的透镜变换关系。无衍射光首先被望远系统的第一块透镜变换为一个环光源，第二块不同焦距的透镜再将该环光源变换为一个不同参数的新无衍射光。新的光束参数由两个透的焦距比值决定 。     

衍射透镜补偿声光偏转器扫描飞秒激光的色散

在飞秒激光随机扫描双光子显微成像系统中使用宽带二维声光偏转器扫描飞秒激光,可以增大扫描角度至74 mrad,增大双光子显微成像范围。但宽带二维声光偏转器在大角度扫描时引入的色散较大,造成成像范围边缘的光斑严重畸变,边缘光斑直径达2.3 μm,影响边缘视场的成像质量。为了提高成像质量,设计了一种新的色散补偿方法,基于衍射透镜组成的开普勒望远系统,可以同时补偿不同扫描角度的不同色散。经过色散补偿后成像边缘的光斑直径小于1 μm,使系统获得大范围扫描成像的同时,所有扫描角度的色散都能够得到很好的补偿,在整个视场范围内光斑直径小于1 μm,实现更均匀的荧光激发,均匀成像。     

Dispersion effect in optical microscopy systems with a supersphere solid immersion lens

This paper studies the dispersion effect of the supersphere solid immersion lens (SIL) on a near field optical microscopy system by using the vector diffraction theory. Results show that when a real non-monochromatic beam illuminates a supersphere SIL microscopy, the dispersion effect of the SIL has an important influence on the image quality. As the wavelength bandwidth of the non-monochromatic beam increases, the size of the focused spot increases and its intensity decreases in near-field microscopy systems with a supersphere SIL.     

像散Bessel光束自重建特性的理论和实验研究

基于菲涅耳衍射积分理论和巴比涅原理,推导出像散Bessel光束经圆形障碍物后的光强分布一般表达式.数值模拟了像散Bessel光束经圆形障碍物遮挡后光场的自重建过程,并设计相关实验进行验证,实验结果与理论模拟基本符合.结果表明：零阶像散Bessel光束经过轴上和离轴障碍物后均会发生光束重建现象.随着传输距离的增加,像散Bessel光束的外轮廓尺寸变大、中心光点阵列数增多,逐渐重建出不同于障碍物前的完整光束.并且观察到光束在重建过程中横向和纵向的重建速度并不一致,存在一定的速度差.利用螺旋相位板产生高阶像散Bessel光束,验证了高阶像散Bessel光束经障碍物遮挡后同样具有自重建特性.研究结果对像散Bessel光束在多层面粒子操纵方面的应用具有参考价值.     

Laser writing system for fabrication of diffractive optics elements

We report a laser writing system for fabrication of diffractive optical elements with He-Cd laser. The wavelength of the light source is 441.6 nm. The output beam is collimated into parallel light with uniform intensity distribution after passing through the spatial filter with a pinhole of 25μm and the collimating device. A microscopy objective lens with numerical aperture (NA) of 0.65 is used to focus the beam into a small diffraction spot. Any pattern can be written with this system. Experimental results are presented.The written gratings and the phase patterns were verified with a conventional optical microscopy and the Taylor Hobson equipment.