光栅在大学光学实验中的应用研究

文中首先介绍了光栅的种类及其特性。然后详细分析了光栅在大学光学实验中的具体应用,包括:由光栅构成的微小型光纤光栅光谱仪、光纤通信系统实验仪、光纤光栅传感仪和超声光栅声速仪等,论述了这4种光学实验仪器的结构与工作原理。最后,对光栅在大学光学实验中的新应用领域进行了展望。     

二元光学元件衍射效率的分析与计算

衍射效率对于二元光学元件来说是一个非常重要的概念，也是一个重要的器件性能指标，从理想的锯齿形相位轮廓入手，利用标量衍射理论，分析并导出锯齿形一维位相光栅的衍射效率的计算公式，进而讨论二元光学技术中，以台阶状的轮廓逼近锯齿形相位轮廓的机制，构造台阶状光栅的相位轮廓函数，从而导出其透过函数和角谱，得出二元光学元件衍射效率的理论公式，并对不同台阶数的二元光学元件的衍射效率进行了计算。     

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.     

基于二维光栅的四通道完全垂直光学接口

作为单模光纤与硅基光电子芯片之间的光耦合接口,光栅耦合器具有强对准容差能力、可随意放置以及晶圆级测试能力等一系列优点,因此被广泛应用于硅基光耦合和光封装.然而为了减小二次反射,传统光栅耦合器通常设计为具有一定光耦合倾角,这个耦合倾角会给测试和封装带来不便.完全垂直光栅耦合器可以避免在光学封装中用到昂贵的角度抛光工艺,这个优点使得它们在多核芯光纤和光纤阵列的耦合应用中非常具有吸引力.本文提出并实验验证了一种基于二维光栅和四通道波导设计的完全垂直光耦合接口,器件仿真耦合效率最高可达54%,耦合中心波长在1555nm附近,向上的光反射损耗为14%(-8.5dB).为了实验验证器件功能,我们基于CMOS兼容工艺对器件进行了加工制造,器件光学输入为四通道垂直耦合二维光栅,通过两个1×2MMI光学合束器将四个通道合为两输出通道并通过光栅耦合器输出.器件实验测试结果显示器件总耦合效率可达40%(单端输出耦合损耗为-7dB),同时我们还测试了具有臂长差的器件,光谱呈现出较强的干涉波形,这说明器件具有类马赫曾德干涉仪的性质,有望在电光调制和光学滤波等领域获得应用.     

闪耀光栅产生光学势阱阵列

提出用液晶空间光调制器制作闪耀光栅产生光学势阱的新方案,优化设计光栅的相位变化参数,用单束激光照明,产生3×3和4×4等光强光学势阱阵列.根据现有空间光调制器性能和尺寸,模拟设计光栅,计算光阱阵列光强分布.研究结果表明：所产生的光阱阵列中各光阱具有较高的峰值光强和光强梯度,且光强分布均匀;对冷原子或冷分子囚禁有较高的光学偶极势和较强的偶极力,在原子光学晶格的实验研究中具有很好的应用前景.     

基于Matlab的光学衍射仿真

光学衍射是光学的重要内容,对光学衍射的研究,做传统的光学衍射实验,对实验仪器和实验场所要求苛刻,但是实验效果却并不一定理想。计算机技术的引入为光学衍射研究提供了崭新的思路。就光学中的单缝衍射和光栅衍射建立了数学模型,利用强大的数值计算和图像处理功能软件Matlab,编制了Matlab仿真程序,输出了仿真图样。仿真结果表明,仿真图样清晰逼真,仿真结论和理论是吻合的。研究表明,借助计算机进行光学实验仿真,可以不受实验仪器和实验场所的限制,可以极大地促进光学的研究。     

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。     

F—P腔中的多种效应光学双稳态

提出一简单的理论模型用以Ｆ－Ｐ腔型的多种效应光学双稳态器件的最优化设计。给出影响光学双稳态的各种参数的最优化选择的理论解析表达式，以液晶为介质按最优化设计制作的器件在实验得到低达９０μＷ／ｍｍ＾２的临界入射光强的光学双稳态，理论计算的临界光强与实验值相当一致。     

拉普拉斯方程在变换光学中的应用

介绍一种基于变换光学理论和拉普拉斯方程的光学器件设计方法,可以设计具有不同光学特性的光学器件,提出了一种设计隐身斗篷、物体缩放器、光学幻觉、以及电磁波局域器件的通用变换,并给出了设计实例,数值模拟结果验证了这些器件的光学特性.      

平面波入射时二元光学型光栅的衍射场分布

应用标量衍射理论分析了平面波入射时二元光学型光栅的衍射场分布规律,并进行了数值分析和实验验证。     

相位测量轮廓术中正弦光栅的构造及频谱分析

为了获得三维物体表面的正弦光强投影分布,提出了矩形光栅组合准正弦投影光场的方法。选择适当的光栅组合参数,可得到一个近似的正弦分划板。频谱分析和光学实验验证了设计的合理性。模拟了光栅投影的光强分布曲线,建立了组合准正弦光栅的数学模型,并对构造的准正弦光栅进行了频谱分析。其频谱分布与正弦振幅光栅的傅里叶变换频谱具有相同的特点。研究结果为刻划正弦光栅的设计和理论研究提供了有益的思路。     

光学4f系统的图像空间频率特性

为将光学小波变换应用于图像压缩,分析光学4f系统中图像实现方式和图像采集对图像空间频率特性的影响,研究图像频域能量集中特性及其在光学4f系统中的表现,提出光学4f系统中图像空间频率特性的相关计算方法。理论分析、仿真计算和光学实验结果表明:用于图像压缩的光学小波变换在频谱面上的空间滤波范围受到输入图像尺寸、近轴条件、光学4f系统的器件采样特性、图像频域能量集中度以及系统噪声的影响,应根据实际光学4f系统选择合适的光学小波变换的空间滤波范围。实验结果验证了方法和结论的正确性。     

一个基于波动光学的光栅衍射光照模型

把波动光学的多缝Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ衍射理论应用于计算机真实感图形生成，通过在Ｗｈｉｔｔｅｄ光照模型上增加一项光栅衍射光亮度，建立了一个基于波动光学的光栅衍射光照模型，只要给定光栅的刻槽密度和几何尺寸，依照该模型就可逼真地绘制出光栅的衍射效果，这是传统的基于几何光学的光照模型所无法做到的。     

全息显示屏制作过程中DCG 胶膜厚度的理论设计

DCG膜层的厚度是影响全息显示屏光学性能指标的一个重要因素。在分析了DCG全息图膜厚的变化及其不均匀光栅结构的基础上，应用分层介质膜理论对其进行了理论设计。并提出了均匀光学厚度的假设，应用计算机仿真给出了理论计算的结果。将理论与实验结果进行比较，从而验证了均匀光学厚度的假设是正确的。     

磁流体显示器件光学性能的激光散斑表征

提出了一种利用激光散斑表征磁流体显示器件光学性能的方法。阐述了磁流体显示器件的工作机理及显示过程中磁微粒的运动过程,将其运动模型简化为简单的几何模型,利用散斑相关方法测量了磁微粒的堆积过程;同时,利用散斑图平均对比度方法研究了磁流体薄膜表面形貌的变化过程。实验结果表明:激光散斑方法是一种表征磁流体显示器件光学性能的有效手段。     

气囊抛光路径对光学元件中频误差的影响

为了寻找消除中频误差的有效抛光路径,进行了2组实验.第1组实验采用单步进动Z字光栅路径和单步进动螺旋线路径对石英玻璃进行全面均匀的气囊抛光实验,并对加工后得到试件表面的中频误差进行分析.第2组实验先采用单步进动Z字光栅路径对石英玻璃进行全面均匀的气囊抛光实验,接着用基于改进普里姆(Prim)算法的路径对其进行加工,最后对加工得到光学试件表面的中频误差进行分析,从而验证基于改进Prim算法的抛光路径的优良性.     

提高光栅式光学分度头精度的研究

分析了目前国内提高光栅式光学分度头精度的研究现状，在此基础上提出了光栅式光学分度头的改进方法．对自行设计的逻辑电路作了具体说明，提出了六倍频的细分电路．使得光栅式光学分度头不但实现了数字化，而且显示精度达到１０”．文中还提出了进一步改进和提高的方向．     

光的偏振态对向列相液晶中光栅衍射的影响

通过二波耦合实验研究了不同偏振态的两束写入光在向列相液晶中形成光栅的衍射现象。实验发现,水平偏振态(P-P偏振)照射时形成的光栅具有比竖直偏振态(S-S偏振)照射时大得多的能量耦合,且能量耦合方向完全相反。更重要的是,当光栅形成之后改变其中一束光的偏振方向时,透射光和衍射光的强度会随着其中一束光的偏振态的改变而变化。可见,光的偏振态在决定NLC分子非线性取向时是一个非常重要的参数,在以后的光电子功能器件应用中与偏振光相关的分子取向产生的非线性光学现象将会非常有用。     

北京大学介观光子器件研究取得新进展

北京大学“飞秒光物理和介观光学”创新研究群体在介观光学领域取得新的研究进展,在实现低功率、高速光子晶体全光开关器件的基础上,又实现了低功率、高透过率对比的全光二极管器件原型器件。光子晶体全光二极管是一种重要的介观光学器件,在光计算、光互联和超快速信息处理等领域都有重要的应用前景。实现低阈值光功率和高正反向透过率对比是其...     

磁控溅射氧化钛薄膜的光学性能

常温下,通过反应磁控溅射法在K9双面抛光玻璃基底上制备氧化钛薄膜．采用X线衍射（X—ray Diffraction,XRD）、光栅光谱仪和椭偏仪对氧化钛薄膜样品的结构和光学性能进行测试,并拟合分析得到薄膜的折射率和厚度等光学参数．结果表明：氧化钛纳米薄膜呈非晶态,其折射率和消光系数随波长的变化而变化,薄膜的透射率测量结果和理论计算结果在350—800nm光波范围内吻合良好．由于氧化钛薄膜的折射率高且在可见光波段吸收小、呈透明状,是用来构成一维光子晶体的理想组分,有关其光学性能的基础研究对光子晶体的结构设计及其器件的开发应用具有积极的意义．