中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川 绵阳 621900
采用一对圆锥镜作为整形器来产生准直平行的空心光束，并根据能量守恒定律得到了整形后空心光束的光强表达式，然后基于菲涅耳衍射积分公式仿真了该空心光束在自由空间不同传播距离处的衍射光斑及截面光强分布图，并计算得到了光束质量因子随截断直径与高斯光束半径的比值和遮拦比变化的关系曲线，为实际获得良好光束质量和整形器的设计提供依据。其次，对该系统进行了锥顶角一致性、偏心及倾斜误差对波面误差的影响分析，结果表明，对于同样大小的误差，设计锥顶角较大时得到的整形光束的波面误差较小，有利于增加加工和装调的容差范围，且装调中的偏心误差和倾斜误差具有一定的等效性，通过调整装调过程中的偏心方向和大小，可以在一定程度上抵消倾斜误差的影响，实现综合误差的互相抵消，为实际应用中的圆锥镜组整形器加工和装调提供有益参考。最后，对整形出的空心光束进行近、远场测量，结果表明实际所得到的光束质量因子符合理论计算结果。
光学设计 高斯光束 空心光束 圆锥镜 光束整形 衍射传输 误差分析
Author Affiliations
Abstract
Key Laboratory of Optical Information Detecting and Display Technology, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China
On the basis of the stationary phase principle, we construct a family of shaping nondiffracting structured caustic beams with the desired morphology. First, the analytical formula of a nondiffracting astroid caustic is derived theoretically using the stationary phase method. Then, several types of typical desired caustics with different shapes are numerically simulated using the obtained formulas. Hence, the key optical structure and propagation characteristics of nondiffracting caustic beams are investigated. Finally, a designed phase plate and an axicon are used to generate the target light field. The experimental results confirm the theoretical prediction. Compared with the classical method, the introduced method for generating nondiffracting caustic beams is high in light-energy utilization; hence, it is expected to be applied conveniently to scientific experiments.
nondiffracting structured caustic beams phase plate stationary phase method axicon Chinese Optics Letters
2023, 21(10): 102601
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
1 浙江师范大学浙江省光信息检测与显示技术研究重点实验室，浙江 金华 321004
2 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062
基于稳相法原理，构建一种新型无衍射地毯光束。首先，运用稳相法研究径向光栅经过轴锥镜后的菲涅耳衍射，在稳相近似条件下，从理论上获得了一种具有无衍射传输特性的地毯光束。然后，采用振幅型空间光调制器加载不同参数的径向光栅，并在空间光调制器后安装相位调制元件（轴锥镜），经过菲涅耳衍射后，可以在轴锥镜后的一定传输距离内得到一种新的无衍射地毯光束。最终发现，实验结果与理论模拟结果吻合得很好。
衍射 无衍射地毯光束 稳相法 径向光栅 轴锥镜 光学学报
2022, 42(16): 1605001
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
昆明理工大学理学院激光信息处理技术与应用重点实验室，云南 昆明 650500
垂直入射平行光束经轴锥镜变换后，出射光束为Bessel光束。在轴锥镜后方一段传播范围内其分布形式始终保持不变，横截面光强分布表现为均匀间距的同心圆环，中心为一亮斑。首先通过几何光学分析，推导出无衍射传播距离的计算公式；然后，用波动光学的方法推导出亮暗相间同心圆环条纹的间距公式，以及给出存在确切解析表达式的轴锥镜后方横截面光强分布和Bessel光束中心光斑尺寸计算公式，并用MATLAB软件对Bessel光束进行模拟；最后，进行实验验证，并讨论Bessel光束与轴锥镜几何光学参数之间的关系，为Bessel光束的实际应用提供参考。
衍射 轴锥镜 光束变换 Bessel光束 强度分布 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1705001
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
