含多阶涡旋的无衍射阵列光束的设计

涡旋在光学领域一直有很广泛的应用价值,光学微操纵技术,自由空间的光通信,以及光学测量技术都用到了涡旋光.而高阶涡旋光和阵列涡旋光更是对粒子的批量自组装具有高效的作用,但以往的论文设计出的高阶涡旋光只局域在很小的传播范围(10~(-6)m),所以几乎没有应用价值.本文从理论上设计了含高阶涡旋的阵列涡旋无衍射光场,这种光场的无衍射传播距离大约在30cm左右.在数学上通过傅里叶变换方法推导了阵列涡旋无衍射光场的数学表达式,用数值模拟的方法得到了涡旋阵列光场,实验上利用空间光调制器(SLM)得到了多阶涡旋阵列光场.此外,我们还测量了这种多阶阵列涡旋光场的无衍射距离.本文的研究在光学微操纵,粒子批量自组装等领域具有应用价值.     

二维周期和准周期离散无衍射涡旋光束

理论上研究了用一束涡旋光和一个振幅掩模制作二维周期或准周期离散无衍射光场的方法.通过改变涡旋光的拓扑荷数和掩模上小孔数,模拟得到了不同的四角、五角和六角无衍射光场的强度分布、相位结构和远场衍射图.另外,还总结了关于涡旋光拓扑荷数及掩模小孔数这两个参数和产生的无衍射光场之间的有趣的规律.     

用衍射方法确定平顶光学涡旋拓扑荷数

使用一种中心对称的正方形振幅光栅,分别计算了不同拓扑荷数的平顶涡旋光束经过不同空间频率的正方形振幅光栅后的夫琅和费衍射光场.结果表明,平顶涡旋光束经正方形振幅光栅后在远场的光强分布为亮斑阵列;选择合适的空间频率,即可以得到任何拓扑荷数的清晰的衍射图样;当拓扑荷数≥2时,衍射光强图样外围亮斑的个数为入射涡旋光束拓扑荷数的2倍.用此种衍射方法可以方便地测量入射光学涡旋的拓扑荷数.     

涡旋光束的轨道角动量双缝干涉实验研究

利用计算机全息振幅二元光栅对基模高斯光束进行衍射,实验产生不同阶次拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian,LG）涡旋光束,用得到的不同阶的LG光束进行双缝干涉实验,根据采集到的干涉条纹扭曲方向及条纹扭曲程度实现涡旋光束轨道角动量的测量,通过调整实验光学系统,分析了LG光束轨道角动量的测量精度.结果表明,基模高斯光束束宽与全息光栅尺寸的合理选择会影响到生成的涡旋光束质量.在确定基模高斯光束束宽的情况下,双缝间距与光束束宽的比例为1：1.5时,双缝对生成的LG光束干涉条纹扭曲效果明显,LG光束轨道角动量测量误差最小.     

透射光栅测量光波波长实验浅析

光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件.广义的衍射光栅可分为透射光栅和反射光栅.近些年来,随着科学技术的进步和工业生产技术的发展,出现了光纤光栅、阵列波导光栅及全息光栅等新型光栅,这类新型光栅的产生同样也推动了科学技术和工业生产的发展.此外,光栅在物理教学和实验室中也具有重要的应用.物理实验教学中可以利用透射光栅测量入射光的光波波长,并利用光的衍射效应得出所用光栅的光学参量等.首先概括了光栅的发展历史和应用,其次以“透射光栅测量光波波长”为着手点,重点介绍了透射光栅在物理实验教学中的应用.通过进行实验操作,计算了光栅的角色散度和分辨本领,对实验数据进行分类对比及归纳总结,进而得出了透射光栅的特性及普遍规律.     

衍射光栅外差干涉测量的研究

提出一种新的测量光栅运动的方法，它利用声光调制器产生两个频率的激光，将其中一个频率的光入射到光栅上，产生正负级衍射光，光栅的运动使衍射光实现多普频移，然后将衍射光与另一频率的光干涉，即可实现光栅运动的外差干涉测量，正负级衍射光的同时使可以消除光栅横移的影响。     

利用改进的螺旋相位板产生强度调制光学涡旋

从理论上分析了具有相位调制偏差的螺旋相位板所产生光场的涡旋特性,发现涡旋场主环上存在周期性的强度调制,而且中心有一亮斑,这一亮斑严重影响了调制涡旋场的质量;为了产生高质量的调制涡旋场,提出了一种改进的螺旋相位板,利用这种螺旋相位板产生的涡旋场在衍射过程中依然保持了很好的强度调制特性,实验结果和理论分析相吻合.     

基于蒙特卡罗的光栅衍射条纹强度仿真预测

为更形象、直观地展现光栅衍射现象,了解光栅衍射条纹强度变化情况,研究了基于蒙特卡罗方法和MATLAB的光栅衍射条纹强度预测方法。依照惠更斯-菲涅耳原理获取光栅衍射强度分布,利用蒙特卡罗方法随机模拟。采用MATLAB软件仿真研究光栅衍射条纹强度变化情况,通过各参数值变化获得相应衍射光强分布情况。研究时改变光栅缝数分析光栅衍射条纹主极大强度变化情况,改变光栅常数、缝宽以及波长等参数,分析光栅衍射条纹次极大强度变化情况。研究得出：光栅缝数越多,主极大越大,光栅衍射条纹强度越强,光栅衍射主极大强度受多条单缝衍射强度调制;光栅常数越大次级大强度分布密度越大,缝宽增加衍射现象变弱;波长变大光栅衍射谱线渐宽,锐度降低。     

泰伯效应光学照明阵列

目的在于求解二维位相光栅泰伯效应产生的二维照明阵列，先用一种解析方法获得了一维照明阵列之解，然后提出一种二维位相光栅的基本结构，利用一维阵列的结果，求得了六类二维阵列，发现一维阵列的一些无用的中间结果，对形成二维阵列十分必要，这六类二维阵列构成三个共轭对，各自满足光栅衍射的共轭条件，从而验证了解的正确性，每一类阵列又形成一阵系列，表现出较一维阵列丰富得多的结果，给人们设计二维照明阵列更大的选择自由     

环形涡旋光干涉叠加形成复合涡旋光的特性研究

采用数值模拟的方法对2束以高斯光束为背景的环形涡旋光相互叠加产生的复合涡旋进行研究,提出了一种求解共线叠加复合涡旋位置的图解方法,利用该方法可以得到准确的涡旋位置分布特性。研究表明,通过改变涡旋光的拓扑荷值以及束腰半径,复合涡旋光的奇点和强度分布都会发生改变,形成新的复合涡旋光场。     

用二维全息光栅制作光学时钟分布中的全息光学元件

提出了用二维全息光栅制作自由空间光学时钟分布中的全息光学元件的方法.实验中采用类似于马赫 泽德干涉仪的光路;其中,物光为二维光栅中间的9个衍射级.分析了二维光栅各衍射级的衍射效率、位置及各衍射级之间的间距.初步实验得到了可产生二维3×3输出端的全息光学元件.理论分析表明,该全息光学元件可适用于3×3光敏面半径大于10μm的光探测器阵列.     

体光折变栅的高阶衍射

本文探讨了在光折变晶体写入体相位栅产生高阶衍射的物理机制，在光栅的写入过程中，振幅和位相耦合分别引起光栅振幅和位相的不均匀，这两种不均匀性导致光栅波矢的附加横向分量，后者可有效地补偿高阶衍射的波矢失配，同时一旦高阶衍射在晶体表面出现，具有高增益值的光折变值晶体通过多波耦合将保证它随传播距离增长，这是在光折变晶体中形成高阶衍射光束的重要原因。     

一种测量凹透镜焦距的方法

提出了一种测量凹透镜焦距的方法.这种测量方法基于光栅的弗朗和费衍射,无需测量物距和像距.钠光通过一个狭缝和一个凸透镜后变成一束平行光;平行光垂直入射光栅后被衍射;利用已知焦距的长焦距凸透镜确定凹透镜成像的像位置;利用已知焦距的短焦距凸透镜确定凹透镜成像的物位置;衍射光通过一个凸透镜和待测凹透镜后形成衍射条纹;这些衍射条...     

粒子在双涡旋光束中的受力特性

从理论上分析了空气中的球形吸收粒子在双涡旋光束中的受力特性,分别从径向和横向两个方向分析了粒子的受力情况,估算了粒子在双涡旋光束中所受的径向力随粒子半径与光腰半径的比值、衍射距离的变化关系,以及粒子所受横向力与涡旋光束环半径的关系,估算了捕获粒子的最大径向力和横向力.     

飞秒脉冲通过体全息光栅弱耦合衍射特性分析

由Kogelnik单色衍射效率公式推导出了飞秒激光脉冲光在弱耦合情况下的衍射效率频谱,分析了飞秒激光脉冲通过体全息光栅弱耦合衍射特性。衍射光的频谱分布与读出飞秒脉冲的宽度Δτ、体全息光栅的周期Λ,厚度d以及晶体折射率调制度Δn0有密切关系。通过控制光栅的写入和读出过程,选择适当的参量数值,可以得到不同衍射强度和不同频率成分的衍射光。对于研究飞秒脉冲光通过光折变光栅传播特性以及飞秒超短脉冲用于光学信息处理有应用意义。     

单轴晶体中杂化偏振矢量涡旋光场的传输特性

为了实现光场的偏振态调控,对拥有复杂偏振态分布的杂化偏振矢量涡旋光场在单轴晶体中垂直于光轴的传输特性展开研究.基于光束在各向异性单轴晶体中的傍轴矢量传输理论,推导出杂化偏振矢量涡旋光场在单轴晶体中传输的具体表达式.通过数值模拟,得出了不同参数下杂化偏振矢量涡旋光场在单轴晶体中传输的演变规律.结果表明,光束半径、传输距离以及单轴晶体的e光和o光折射率比值对杂化偏振矢量涡旋光场在单轴晶体中的强度分布、偏振态分布、自旋角动量分布以及涡旋相位分布有调节作用.光束半径越小,传输距离越大,单轴晶体的各向异性强度越大,则对杂化偏振矢量涡旋光场的传输特性影响越大.     

多缝夫琅禾费衍射现象仿真实现及分析

从光的衍射理论出发,论述了借助计算机和可视化程序设计语言仿真实现夫琅禾费衍射现象的衍射积分法和傅立叶变换法.运用上述2种方法仿真实现不同形式多缝(光栅)夫琅禾费衍射现象,其结果有助于理解多缝夫琅禾费衍射现象的特性和光栅的分光机理,为更好的设计和利用衍射光栅提供了有益参考.     

利用计算全息光栅产生的涡旋光测量物体变形

利用计算全息(CGH)光栅产生的涡旋光束拉盖尔-高斯(LG)光束进行离面位移测量。基于二元叉形光栅产生LG光束的理论,将产生的LG光束作为参考光,加入一束平面光作为物光,设计了离面变形测量实验方案。利用物光和参考光的干涉进行物体变形测量,推导出物体变形前和变形后的干涉光强公式。通过数值计算,分析了利用LG光束进行变形测量的原理。数值模拟实验结果与理论结果基本一致,表明利用CGH叉形光栅产生的高纯度的LG光束可以进行物体变形测量。     

面阵CCD对汞灯衍射光谱的采集与实时测量

设计了一个面阵CCD光谱采集测量系统,提出了一种波长和频率测量的新方法.运用衍射光栅得到汞灯的衍射光谱线,利用面阵CCD采集光谱图像,编写程序对采集图像进行处理,得出各谱线的波长和频率.该方法可实现实时测量且具有较高的测量精度.     

锯齿型闪耀光栅的衍射光强

运用波动光学原理导出了锯齿型闪耀光栅的衍射光强公式，并对结果进行了讨论，发现闪耀光栅的衍射规律与非闪耀光栅衍射规律显不同，衍射光只有一个主极大，闪耀角的变化可以改变衍射最大光强和最小光强的位置，这对于制作光栅阵列照明器件和光栅减透膜有一定的实际意义，对于普通物理的教学也具有指导意义。