1 中南大学物理与电子学院, 湖南 长沙 410083
2 中南大学超微结构与超快过程湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410083
基于Rudin-Shapiro(RS)非周期序列, 提出了一种能简易制作且可在轴向产生两个低色差图像的RS光子筛(RSPS)。基于角谱理论, 研究了光子筛筛孔的最小直径与对应波带片的最外环宽度的比值对RSPS聚焦特性的影响, 数值仿真结果表明, 当光子筛筛孔的最小直径是对应波带片最外环宽度的1.398倍时, RSPS能在轴向产生相同的高强度的双焦点。不同于RS波带片(RSZP)的环带结构, RSPS的孔状结构更容易制作。此外, 对比分析了RSPS、RSZP和Thue-Morse波带片(TMZP)的聚焦成像特性, 理论研究结果表明, RSPS在轴向两个焦平面产生的图像的色差比TMZP的色差低, 与RSZP的色差近似一样。因此, RSPS在多色成像, X射线显微等领域将具有广阔的应用前景。
光子筛 色差 波带片 激光与光电子学进展
2018, 55(10): 100501
1 中南大学物理与电子学院, 湖南 长沙 410083
2 长江大学物理与光电工程学院, 湖北 荆州 434023
3 中南大学超微结构与超快过程湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410083
斐波那契波带片(FiZP)在焦平面上有两个不同的主焦点且具有独特的自恢复特性,因此FiZP光束能够在不同平面同时捕获微粒,同时对微粒实现焦平面上的自由移动。仿真分析了FiZP的构成与轴向强度,利用液晶空间光调制器、倒置光学显微镜以及光学元件组合搭建实验平台,对微粒进行三维捕获。实验验证了FiZP光束具有三维光学捕获特性,并可用于构建三维光镊,实现复杂的捕获功能。
光电子学 三维光镊 斐波那契波带片(FiZP) 自恢复特性 双焦点 光学学报
2017, 37(10): 1035001
1 中南大学 物理与电子学院, 湖南 长沙 410083
2 中南大学 物理与电子学院 超微超快过程湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410083
基于核(金属)/壳(介质)微球的单光束梯度阱模型, 计算了外面包覆较厚聚苯乙烯的铜微球在聚焦光场中的轴向散射力、梯度力以及合力, 分析了表面被高度氧化的铜微球的轴向捕获力。不同于纯金属米氏粒子, 外层包覆较厚介质材料的金属粒子在聚焦光场中容易被捕获但不能被捕获在聚焦光束的高强度区域。光学微操作实验显示: 高度氧化的铜微球能被聚焦的高斯光束捕获并可以在平面内移动。理论和实验结果便于研究核壳结构金属微粒的光学特性, 进一步拓展了光镊技术的应用范围。
单光束梯度阱 微球 光学捕获 single-beam gradient trap microsphere optical trapping 红外与激光工程
2016, 45(6): 0621002
Author Affiliations
Abstract
School of Physics and Electronics, Central South University, Changsha 410083, China
A low-coherence fiber-optic dynamic light scattering (FODLS) technique is utilized to measure the effective viscosity of colloidal suspensions over a range of temperatures and volume fractions. Based on the single scattering theory, the volume fraction dependency of the effective viscosity can be obtained from the analysis of the single scattering spectra measured using FODLS. Experimental data on the viscous at Brownian short-times of colloidal suspensions are compared with theoretical results. The effective viscosity is in good agreement with the theoretical values by considering the Carnahan–Starling approximation. It is confirmed that the effective short-time viscosity of colloidal suspensions at different volume fractions and temperatures can be measured by the low-coherence FODLS technique.
Chinese Optics Letters
2015, 13(Suppl): S21201
1 中南大学物理与电子学院, 湖南 长沙 410083
2 中南大学物理与电子学院先进材料超微结构与超快过程研究所, 湖南 长沙 410083
气体的光谱吸收率是Lambert-Beer定律对气体进行定性定量分析的重要依据, 光谱吸收率积分值是描述气体吸收特性的一个重要参量。 根据所测气体的吸收光谱图, 通过从HITRAN数据库中查询得到所需数据, 选择其中一条吸收光谱, 计算出光谱吸收率在频域上的积分值, 然后把积分值代入Lambert-Beer定律便可以求出所测气体的浓度值。 计算光谱吸收率的积分值, 能够避开复杂的线型函数的计算, 不需要通过标准气体进行校准, 从而更加简捷、 快速地求出气体浓度值。 鉴于温度变化会引起相应的压强的变化, 同时在压强不随温度变化以及压强随温度共同变化这两种情况下, 对光谱吸收率积分值随温度的变化规律进行了研究。 总结出在这两种情况下, 光谱吸收率在频域上的积分值总是随着温度的增加而增加, 当增加到一定温度时, 光谱吸收率在频域上的积分值随着温度的增加而减小, 最后趋于稳定, 但是两种情况下光谱吸收率积分值变化趋势的范围有所不同。 最后通过实验验证计算光谱吸收率在频域内的积分值时需要同时考虑温度的变化以及温度导致的相应的压强的变化, 此时吸收率积分值相对误差约为1%; 只考虑温度的变化而不考虑压强随温度的变化, 吸收率积分值的相对误差值大于1%而且逐渐变大。 研究温度对光谱吸收率积分值的影响, 可以在使用光谱吸收率积分值计算气体浓度时, 选择合适的温度范围即更稳定的吸收区, 从而减少温度对测量结果带来的误差。
气体检测 光谱吸收率 光学测量 激光技术 Gas detection Absorptance spectrum Optical measurement Laser technique 光谱学与光谱分析
2015, 35(12): 3490
1 中南大学物理与电子学院, 湖南 长沙 410083
2 中南大学物理与电子学院先进材料超微结构与超快过程研究所, 湖南 长沙 410083
快速、精确地测量微量气体浓度的技术在大气质量分析、环境污染检测等领域具有广泛的用途.在红外光谱检测技术中,气体吸收光谱的谱线线型函数是定量测量气体浓度的一个重要参量,而如何准确和快速地得到气体谱线线型函数值是气体浓度测量中的一个关键问题.首先从理论上分析了谱线线型函数,得出计算谱线线型函数的一般方法及探讨了气体浓度与谱线线型函数峰值之间的关系.然后,利用可调激光器及光谱仪检测系统测量了乙炔在1 515～1 545 nm波长范围内的吸收光谱,再通过Lambert-Beer定律计算得到在不同频率下的谱线线型函数峰值,最后利用程序拟合出该波段内气体的谱线线型函数峰值分布曲线,并与Voigt线型函数理论计算值进行了比较,发现理论计算的谱线线型函数峰值仍存在一定的偏差.相比理论计算结果,所提出的检测方法得到的乙炔浓度与真实的乙炔浓度值更加吻合,表明了通过实验确定的谱线线型函数的经验公式可以更好地用于气体浓度的检测.由于利用实验测量值获得了谱线线型函数峰值分布的拟合曲线,因此可以快速准确地计算出所对应的谱线线型函数峰值,从而大大地简化了线型函数的计算过程.实验所获得的数据可应用于光学遥测乙炔气体浓度,且提供的方法也可以应用到其他气体的谱线线型函数峰值的测量中.
谱线线型函数 吸收光谱 气体检测
1 中南大学物理与电子学院, 湖南 长沙 410083
2 中南大学超微结构与超快过程湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410083
实验验证了一种利用幂指数相位涡旋光束（PEPV）操控微粒的方法。该方法基于幂指数相位涡旋光束理论，产生不同拓扑荷数与方位角幂指数大于1的涡旋光场的相位全息图，并将该全息片经计算机输入到空间光调制器(SLM)上用于调制入射激光光束。利用透镜对被调制光束进行傅里叶变换，利用光阑在频域对衍射光斑进行筛选和过滤，并利用倒置高倍光学显微镜将光束成像于载物台样品上。利用该幂指数相位涡旋光束对微米级粒子实现了定向光学输运。研究结果表明，该光束在粒子的定向输送与收集方面有独特的功能，将进一步拓展光学涡旋光束的实际应用范围。
光学设计 光学涡旋 衍射 空间光调制器 全息光镊 光学学报
2014, 34(11): 1109001
1 中南大学物理与电子学院, 湖南 长沙 410083
2 中南大学物理与电子学院超微结构与超快过程研究所, 湖南 长沙 410083
介绍了一种基于光学原理存储和恢复多幅图像的方法。利用不同旋转角和槽型角的闪耀光栅分别对多幅灰度图像进行编码，将所有被调制图像叠加并存储到一个纯位相光学元件中。将该位相元件的位相分布经计算机输入到空间光调制器(SLM)上，用于调制入射激光光束。利用透镜对被调制光束进行傅里叶变换，光阑在频域对衍射光斑进行筛选和过滤，再通过透镜恢复图像，由CCD记录恢复的图像。实验结果显示本方法可实现22幅图像信息的高质量存储和恢复，且具有图像存储信息量大、操作简便、易于加密等优点。
图像处理 图像存储 空间光调制器 位相元件 闪耀光栅 光学全息 光学学报
2013, 33(12): 1205002
1 中南大学物理与电子学院, 湖南 长沙 410083
2 中南大学物理与电子学院 超微结构与超快过程研究所, 湖南 长沙 410083
当印制在商品、证件和文档等物品上的光学全息图被拍摄或复制时，由于光学成像质量或拍摄条件的影响，采集的全息图像会产生畸变。据此，提出了一种全息图失真校正的方法。该方法首先运用图像处理技术，提取出所需要的全息图目标场景，然后在被提取出的全息图上确定全息图场景的边界，并在边界上自动搜索到4个顶点和4个中点的位置以及相对应的理想点的位置，最后进行投影失真校正和非线性失真校正。与其他图像畸变校正方法相比，该方法无需准备高精度标定模板，且校正和识别过程中只需用到一幅目标全息图像。实验证明，该方法能够很好地识别畸变的光学全息图，且具有效率高、快捷、识别效果好的优点。
全息术 光学全息图 图像畸变 图像识别 图像解密 激光与光电子学进展
2013, 50(6): 060901
谱线线型是用于气体浓度测量中的一个重要参数。 本文基于温度(压强)变化会引起相应压强(温度)的变化这一点, 考虑温度和压强同时变化对气体线型峰值的影响。 通过分析氟化氢的吸收谱线, 发现可用Lorentzian线型来计算峰值吸收系数的温度和压强范围都扩大, 而Gaussian线型在绝大数情况下不能用来计算峰值吸收系数; 在一定的温度范围和压强范围内, 如果只考虑压强或温度的变化, 由此计算的三种线型峰值(Gaussian, Lorentzian和Voigt)的相对误差大于0.1。 因此, 在计算线型峰值时, 需考虑压强和温度同时变化对线型峰值的影响。 最后分别讨论了甲烷、 二氧化碳、 一氧化碳及一氧化氮, 得到与氟化氢结论相似的结论, 结论的不完全相同是由于每种气体在波数、 压力展宽系数、 相对分子质量及温度系数上的不同而导致。
气体检测 谱线线型 Voigt线型 Gas detection Spectral line profile Voigt profile
