余京京 1,2,3任姣姣 1,2,3张丹丹 1,2,3张霁旸 1,2,3[ ... ]韩旭 1,2,*
1 长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
3 长春理工大学中山研究院，广东 中山 528400
为了克服传统轴棱锥产生太赫兹贝塞尔光束无衍射距离短的局限，设计了一种双锥面轴棱锥结构。基于几何光学理论对双锥面轴棱锥产生太赫兹贝塞尔光束的原理进行了分析，并对太赫兹贝塞尔光束的无衍射特性和双锥面轴棱锥顶点对齐误差对无衍射特性的影响进行了理论和仿真计算分析。同时，采用透射式太赫兹时域光谱系统对双锥面轴棱锥的功能进行了实验验证。仿真和实验结果表明：太赫兹波经过锥面底角为γ2=20°、γ1=15°的双锥面轴棱锥后能够产生110 mm无衍射距离的太赫兹贝塞尔光束，相较于传统轴棱锥，无衍射距离增加了82.63 mm；无衍射距离随着锥形底面角度的增加而增大。
物理光学 双锥面轴棱锥 太赫兹贝塞尔光束 无衍射距离 太赫兹时域光谱系统
电子科技大学光电科学与工程学院, 四川 成都 611731
如何更加有效且简便地得到新型锥透镜及贝塞尔(Beasel)光束一直是研究人员关注的重点。提出了一种由液晶材料制作的锥度可由电压调整的轴棱锥。对所提出的液晶轴棱锥特性进行了介绍。此类液晶轴棱锥由两个电压控制,其中一个电压固定,通过改变另一个电压来改变轴棱锥锥度。对液晶轴棱锥特性进行了测试,实验结果表明液晶轴棱锥能够对入射光进行与传统轴棱锥相似的调制,并且实现锥度的连续变化。搭建了基于液晶轴棱锥的成像系统,并通过此系统实现了扩展景深成像。液晶轴棱锥为产生贝塞尔光束及扩展景深成像提供了新的思路与方法。
光学器件 轴棱锥 液晶透镜 贝塞尔光束 扩展景深
华中科技大学 光学与电子信息学院, 武汉 430074
为了探究涡旋空心光束在端面抽运Nd∶YVO4微片激光器中的生成条件及其变化因素, 构建了一种基于轴棱锥-透镜组生成环形抽运光的新方法。采用ZEMAX对抽运光进行了仿真分析, 并基于热效应分析进行了模式匹配计算, 通过实验成功得到了环形抽运光和环形空心激光输出, 并通过实验验证了输出光为1阶涡旋光。结果表明, 该方法能够生成光束大小可控的808nm抽运光, 其光斑半径可随轴棱锥锥顶与透镜焦平面的相对位置快速变化; 并且该抽运光能够使谐振腔长度为300μm的微片激光器输出稳定的1064nm 1阶拉盖尔-高斯涡旋空心光束。此研究结果对于微片激光器输出涡旋空心光束的实际方法的建立具有重要的指导意义。
激光器 涡旋空心光束 微片激光器 轴棱锥-透镜组 环形抽运光 lasers vortex hollow beam microchip laser axicon-lens group ring pump light
西北核技术研究院激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术是一种非常重要的燃烧诊断技术, 该技术具有非常强的抗干扰能力和非常高的测量精度。 但空间分辨力不足会使CARS技术产生很强的空间平均效应, 引起成CARS光谱畸变, 进而造成CARS光谱分析困难, 无法通过CARS光谱反演燃烧场参数。 针对非稳腔空间增强探测CARS(USEDCARS)技术存在的空间分辨不足以及空间分辨力不易改变的特点, 分析了影响USEDCARS技术测量空间分辨力的各种因素, 采用一组轴棱锥对USEDCARS系统中的泵浦激光进行环状光束整形, 并通过调节轴棱锥之间的距离获得了不同直径的环状光束, 在此基础上, 建立了空间分辨可调USEDCARS诊断系统。 开展了空间分辨力分析实验, 获得了CARS信号强度随空间位置的分布数据, 以CARS信号总强度95%包含的空间区域代表CARS的纵向空间分辨力, 以此计算得到了CARS系统空间分辨力为1.7~6.5 mm连续可调。 其中, 高分辨力情况, 达到了现有BOXCARS技术的空间分辨力。 利用所建立的空间分辨可调USEDCARS诊断系统测量了酒精/空气预混火焰温度参数, 获得了不同空间分辨条件下的CARS光谱。 空间分辨力为1.7 mm时, 获得了高质量CARS光谱, 通过光谱拟合给出了所测火焰的温度信息。 分辨力分别为4.9和6.5 mm时获得了较强的CARS信号, 但存在光谱畸变。 结果显示, 空间分辨力对CARS信号的强度和空间平均效应有很大地影响, 提高测量的空间分辨力可以有效消除空间平均效应, 获得准确的CARS光谱, 增强光谱拟合精度, 同时空间分辨可调的特性使该系统能够更好地适应不同实验条件下的诊断工作。
相干反斯托克斯拉曼散射 空间分辨力 轴棱锥 环状光束 Coherent anti-Stokes Raman scattering Spatial resolution Axicon Annular beam
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
2 华中科技大学光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
提出一种轴棱锥-透镜-轴棱锥的相位透镜组结构,对该结构进行理论分析和模拟仿真计算,并采用快速三维打印技术制备的轴棱锥进行实验验证,获得无衍射长度接近1000 mm的太赫兹贝塞尔波束。该波束的无衍射区域不再紧贴轴棱锥,而是具有约100 mm的投送距离。该研究结果可促进太赫兹贝塞尔波束在大景深成像方面的应用。
太赫兹技术 贝塞尔波束 透镜组 多轴棱锥 时域有限差分法
西南科技大学 制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室,四川 绵阳 621010
为进一步完善多级无衍射光束的传输与转换理论, 基于轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析, 采用数值模拟软件对双级无衍射光束的空间光强分布与轴上光强分布进行仿真; 基于锥镜加工工艺对锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布进行研究, 分析了双级无衍射光场的场强大小和影响光场振荡周期的因素。结果表明: 理想双级轴棱锥透镜生成的无衍射光场由4个区域组成, 在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥衍射场的耦合叠加, 其余区域仍保持单级无衍射光场分布特性; 锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布受双曲线特征参数影响较大。其特殊的光场分布为多级无衍射光束拓展至大尺寸空间测量以及粒子微操作等提供了新的可能。
衍射理论 局域空心光束 贝塞尔光束 轴棱锥透镜 多级无衍射光束 diffraction theory local hollow beam Bessel beam axicon lens multilevel non-diffracting beam
华侨大学 信息科学与工程学院 福建省光传输与变换重点实验室, 福建 厦门 361021
提出利用交叉谱密度函数描述焦散光束, 将焦散光束的研究范围从相干光拓展到部分相干光领域.结合菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式, 导出焦散光束在自由空间中的传输表达式.理论分析了光束射入不同倾斜角度轴棱锥引起的像散对焦散光束的影响, 并设计相关实验进行了验证, 实验结果与数值模拟相吻合.进一步研究入射光场相干性对焦散光束的影响, 发现随着入射光场空间相干长度的降低, 焦散光强的明暗分布会慢慢变模糊, 光束中心的光点阵列逐渐消失.
部分相干 交叉谱密度 焦散光束 轴棱锥 空间相干长度 Partially coherence Cross-spectral density function Caustics beam Axicon Spatial coherent length
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
衍射光学元件具有小型化、轻量化等优点。依据传统轴棱锥的相位函数,设计了衍射轴棱锥、螺旋轴棱锥和轴棱锥阵列三种衍射光学元件的相位函数;根据角谱衍射理论,建立了平行光入射衍射光学元件的光场分析模型,数值分析了三种衍射光学元件在单色高斯激光束照射下的光场分布特性。模拟结果表明,衍射轴棱锥与传统轴棱锥相比具有相同的光束传输特性,可以在聚焦深度内产生无衍射贝塞尔光束;螺旋轴棱锥产生贝塞尔光束的阶数与拓扑电荷数相同;轴棱锥阵列可以产生无衍射贝塞尔光束阵列。所提衍射光学元件可以应用于激光加工以及成像等领域。
衍射 衍射轴棱锥 螺旋轴棱锥 轴棱锥阵列 无衍射贝塞尔光束 激光与光电子学进展
2018, 55(4): 040501
华侨大学信息科学与工程学院,福建省光传输与变换重点实验室, 福建 厦门 361021
利用LED光源产生焦散光束,并应用交叉谱密度函数及多光谱叠加的原理计算了轴棱锥后LED部分相干焦散光束的光强分布。理论分析和实验结果验证了像散等参量对焦散光束的影响。通过研究传输距离对LED焦散光束的影响发现,随着传输距离增大,焦散光束星状外轮廓尺寸变大,中心光斑逐渐向外环对称分裂,同时中心光强相应减弱,光点阵列衬比度逐渐降低,最终将演化成近似空心光束。研究结果丰富了焦散光束的内涵,为LED焦散光束的实际应用提供了理论基础和实验依据。
衍射 LED焦散光束 部分相干光 交叉谱密度 轴棱锥
1 华侨大学信息科学与工程学院, 福建 厦门 361021
2 福建省光传输与变换重点实验室, 福建 厦门 361021
利用螺旋相位板-轴棱锥系统可以产生高阶贝塞尔光束。基于基尔霍夫衍射积分理论,推导了涡旋光斜入射轴棱锥后的衍射光场表达式。分析了光束斜入射引起的像散对轴棱锥聚焦涡旋光产生高阶贝塞尔光束的影响,提出了一种用于检测拓扑电荷数的简单可行的方案。结果表明当轴棱锥出现较小角度的偏转时,所产生的高阶贝塞尔光束出现中心亮环椭圆化;随着偏转角的增加,中心亮环椭圆率增大,并伴有暗核分裂的现象;继续增大偏转角,将发生由内至外的亮环破裂现象,最终形成具有点阵列结构的焦散光束。设计实验对上述结论进行验证,理论分析、数值模拟与实验结果基本吻合。
物理光学 基尔霍夫衍射积分理论 高阶贝塞尔光束 离轴像散 轴棱锥
