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[硕士论文] 徐冉
光学 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:物理学里,能量转移过程是指在激发态的分子向基态弛豫的过程中,能量传递到另一个分子,使另一个分子从基态跃迁到激发态。而在能量转移机制中,最主要的两个机制是共振机制和电子交换机制,其中共振机制又被称为F(O)STER机制。F(O)STER型共振激发能量转移理论是一种重要的理论,在许多科研领域都有涉及,尤其是在生物领域有着很重要的地位。
  本篇论文主要是对量子点-有机染料混合体系中的能量转移过程进行研究。作为新兴材制,量子点以其独有的特性,备受科学家们的青睐。从能量状态上来说,量子点的结构类似于原子的分离能级结构,从性能上来说,波长可以调节,荧光效率高,稳定性强,这些特点使其成为当下研究的热点。卟啉和罗丹明B是两种传统的有机染料,可以将其制成既能与大分子选择性结合又能部分地进入细胞特定位置的荧光染料,在物理和生化分析领域中已有120余年的应用历史。
  本文使用以飞秒脉冲作为激发光源,搭建稳态和飞秒时间分辨吸收光谱探测系统,以非水溶性四苯基卟啉为能量受体,CdSe/ZnS核壳量子点为能量给体,构建复合材料体系,对二者间的能量转移特性进行研究。结果表明,给体的荧光强度会随着受体浓度的增加而逐渐减弱。二者之间的能量转移类型为非辐射型能量转移。
  本篇文章,利用CdTe/CdS/ZnS核壳量子点为能量给体,罗丹明B为能量受体,对两者的混合水溶液体系间发生的荧光共振能量转移进行研究。以飞秒脉冲激光作为激发光源,获得时间分辨吸收光谱,实验发现,瞬态吸收信号上升与罗丹明B受体浓度之间存在明显的正相关性,随着受体浓度增加荧光共振能量转移的效率升高。理论分析表明,二者之间的能量传递机制是F(O)STER机制。
[博士论文] 吴腾飞
光学工程 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:由于介质内部(如生物组织、云雾等)或表面(如毛玻璃、粗糙墙面等)折射率分布不均匀,光波在透过介质内部传输或与其表面发生相互作用时会出现强散射,因此传统光学成像系统只能接收到由于散射光之间干涉而形成的散斑,而无法通过直接观测获得隐藏在散射介质之后的目标信息。通过控制光场分布,波前调制技术能够有效地克服介质的散射作用,从而实现透过散射介质聚焦或成像的目的。然而,现有的波前调制技术存在不可避免的限制。首先,波前调制技术需要复杂的反馈调制或校准过程(即:测量光学系统的传输矩阵),这些耗时且复杂的过程使得波前调制技术暂时无法应用于透过动态散射介质的成像中,如生物医学成像中的应用等;其次,波前调制技术的实现需要使用参考点,因而需要侵入散射体内部或后方,因此不适用于实际应用的需求。
  早在1988年,科研人员就发现厚度较薄的散射介质具有光学记忆效应,即:入射光在某一角度范围内扫描时,所产生的散斑强度分布具有高度的相关性,即:散斑结构不会发生明显变化,仅会随扫描方向而产生整体的相对位移。近年来,科研人员利用散射介质的光学记忆效应,提出了具有非侵入特性的散射成像方法,并且通过进一步研究,验证了基于光学记忆效应的散射成像方法还能够具有非常高的时间分辨率。尽管现有方法已能够实现透过动态散射介质的非侵入式成像,但是依然有三方面问题亟待解决:i)现有方法采用相位恢复算法重建散斑、恢复相位信息,但是相位恢复算法本身的局限性使得其无法高效地获取准确的目标相位信息;ii)现有方法基于大量散斑颗粒的统计特性,需要充分抑制重建过程中的统计噪声,因而在该过程中散射成像系统点扩散函数的影响被消除了,然而这同时决定了无法通过现有方法获得系统的点扩散函数。对于光学系统而言,点扩散函数常常是非常重要的信息;iii)现有基于光学记忆效应的散射成像方法的空间分辨率由光学系统本身决定,对高于系统衍射极限的频率信息无法分辨。对于现有非侵入式散射成像方法存在的不足,本文主要做了以下针对性的研究工作:
  (1)利用强度目标的自相关能够反映目标强度分布的特点,验证了基于光学记忆效应的单帧散斑自相关方法具有对灰度目标成像的能力,拓展了散斑自相关成像方法的应用范围。同时,利用散射光具有的多方向性以及随机性,验证了光学系统中的散射介质作为“散射透镜”使用时,相较于传统成像透镜来说,能够更好地克服光路中不透光遮挡物的影响,实现对目标的成像;
  (2)提出了基于双谱分析的非侵入式散斑成像方法,通过数值仿真与实验验证,表明了从单帧散斑中能够同时获取隐藏在散射介质后方目标的傅里叶幅值信息以及傅里叶相位信息。在该方法中,傅里叶幅值信息与傅里叶相位信息分别通过计算单帧散斑的自相关以及对单帧散斑进行双谱分析来获取,二者相互独立,不会相互影响。相较于使用相位恢复算法,通过计算散斑的双谱能够获得更准确的目标相位信息,进而能够更准确地恢复目标结构,比如获得目标的方向等;同时,该方法中的相位提取过程是确定性的,不需要多次重复与迭代;最后,该方法具有更好的抗噪性;
  (3)提出了基于相位多样性的非侵入式多帧散斑成像方法。通过具体的数值仿真和实验验证,表明了该方法在观测隐藏目标的同时,还可以无参考地获取散射成像系统的点扩散函数。其优势在于:首先,由于该方法不是基于大量散射颗粒的统计平均,因此仅需要多帧散斑的一小块区域,就能够恢复隐藏目标的信息;其次,一旦能够获取系统的点扩散函数,如果需要对其他隐藏目标成像,能够直接通过简单的去卷积方法从散斑中恢复出隐藏目标,而不需要重复原来的成像过程或使用其他复杂的成像方法;
  (4)提出了基于散斑照明的多帧散斑超分辨率散射成像方法。光学系统的成像分辨率由系统的衍射极限决定,现有基于光学记忆效应的散射成像方法能够达到的最高分辨率为系统的衍射极限,因此无法获取隐藏目标更高频率的信息。本文所提出的方法利用散斑照明的思想,通过计算多帧散斑的高阶累积,最终理论上能够使系统的成像分辨率提升为原有的√n倍,n为所计算的高阶累积的阶数。计算系统的高阶累积还能够有效地抑制部分光学散斑,同时提升散斑颗粒之间的对比度,最终能够实现一种基于散斑背景抑制的成像方法,该方法的优势在于不需要对散斑进行重建,就能够获得隐藏目标的信息。
[博士论文] 朱钟湖
物理学;量子光学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:量子相干介质中的电磁诱导透明效应可以改变介质的线性和非线性偏振率,使介质的光学特性发生显著改变,具体表现为:其一,介质的线性吸收减少,色散增强;其二,原子与光量子态之间的转化易于相干调控;其三,原子介质的非线性效应显著增强。由于这些非线性光学特性,过去几十年里,与电磁诱导透明相关的诸多量子光学现象受到了人们的普遍重视,并得到了广泛的研究,其中包括高阶非线性增强,无反转激光,光学双稳态与多稳态,多波混频,高精度原子局域化以及光群速减慢等。对这些光学现象进行深入研究不仅有助于理解和掌握量子理论的本质,而且对进一步预言和发现其新的潜在的应用也大有好处。
  在本论文中,我们主要实现了在电磁诱导相干介质中对光学双稳态和多稳态的调控,并且利用可控的原子能级布居和光学吸收测量获得了高精度高分辨率的二维和三维原子局域,主要研究工作包括以下几个方面:
  1)利用单向环形腔在一个由椭圆偏振控制光和线性偏振探测光驱动的Y型四能级原子系统中实现了光学双稳态和多稳态。考虑电偶极矩和旋转波近似,利用密度矩阵方程推导出光场的输入-输出关系,结果表明光学双稳态的阈值及其磁滞的区域可以通过探测场的频率失谐量,椭圆偏振场的强度,原子合作参数等系统参数进行有效的调控。此外,我们还探讨了在有自发产生相干效应存在的情况下,椭圆偏振场两偏振部分之间的相对相位对光学双稳态和多稳态行为的影响。研究结果为在原子系统利用椭圆偏振光实现全光开关提供了理论指导。
  2)在微波驱动的超倒Y型五能级原子系统中,利用测量相位敏感的吸收增益谱的方法研究了亚波长区域内的二维原子局域。由于依赖空间位置的驻波场与原子的相互作用,通过测量探测场的吸收增益谱可以直接获取原子的位置信息,从而实现原子局域。在稳态解情况下,数值结果表明,当两个相互垂直驻波场用来耦合同一原子能级跃迁时,通过适当地调节系统参数可以将原子局域到一个特定的位置,并得到不同结构的二维局域峰,如格子状的,火山口状的,长钉状的等。同时,原子局域的精度和空间分辨率极大地依赖于探测场频率失谐量,两控制场强度与驱动场的相对相位。另外,选取合适系统参数,在驻波场的一个周期内在一特定位置找到原子的最大概率可以达到100%,这样在真正意义上实现了高精度和高分辨率的二维原子局域。更加有趣的是,由驻波场,两行波场和微波驱动场所引起的联合量子干涉效应提高了二维原子局域的精度和空间分辨率,这在光学通讯,新型光电子器件的制作和原子纳米光刻技术等方面具有潜在的应用价值。
  3)基于远场空间干涉效应,我们在一个双二能级原子系统中提出了实现高精度和高分辨率的三维原子局域的方案。利用三个相互垂直驻波场耦合原子能级跃迁,通过探测激发态布居,我们实现了具有相移依赖性的三维原子局域。研究表明对三维原子局域精度的调控可以通过调节探测场频率失谐量和驻波场相移来实现。更加重要的是,通过定义远场空间干涉图样的能见度,我们在三维原子局域和远场空间干涉效应之间建立起了关联。我们发现增强远场空间干涉的强度可以提高三维原子局域的精度。
  接着,用类似的方法,分别在梯型三能级和V型三能级原子中研究了三维原子局域的行为。基于原子系统自身的特点和量子干涉效应,通过调节系统参数,原子位置的条件几率分布在八个子空间不再相同,可以使在某些子空间探测到原子的几率增大。值得指出的是,在一立方光波长空间内探测到原子的最大几率可以提高八倍。此外,我们还讨论了自发产生相干效应对三维原子局域的影响。
  总之,本论文的研究加深了人们对电磁诱导相干介质中非线性光学特性的认识和理解,有助于进一步实现量子相干调控。这些研究对精密非线性光谱学,光电子学,量子信息和量子相干调控等学科和领域的发展具有一定的参考价值。
[博士论文] 代冰
光学工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:太赫兹成像技术近年来发展迅速,在无损检测、人体安检等领域已经初现端倪。太赫兹辐射以其能量低的特性在检测领域中备受关注,但是,空间分辨率和光谱成像对比度依然是检测复杂结构样件中的瓶颈问题。本文采用三维太赫兹无损成像系统对复杂样件内部进行了成像,为了提高成像质量,引入了小波变换算法,有效地提高了图像的对比度和纵向分辨率,为太赫兹无损检测提供了一个新的思路。
  本文对太赫兹三维成像进行了研究,主要做了四方面的工作:
  (1)为了提高系统的成像对比度,采用连续小波变换对检测的纵向光强信息进行了处理。提取合适尺度上的小波系数可以有效的将原始信号的反射峰脉宽变窄,这一点能有效地增强图像的对比,使得原来不清楚的缺陷更加清晰。同时,在提取某一个尺度的小波系数的时候,已经“丢弃”了含有高频噪声小波尺度系数,能够有效地减小系统噪声,使得图像更加“干净”。
  (2)当样件厚度在波长量级时,容易出现样件上下表面“合峰”的现象,使得检测到的纵向信息模糊不清,难以分辨。小波变换能够有效地区分出这些特征峰。采用某一个尺度的小波系数来代替原始检测信号,再进行三维重构,有效地提高了太赫兹三维检测成像的纵向分辨率,纵向分辨精度可以达到1mm。
  (3)对于多层结构样件,针对如何有效地定位出各层结构的分界面,本文引入了Lipschitz指数来描述信号特征,这种描述方法比连续和可微更加精细。
  (4)对于主动式太赫兹成像系统,难以在提高检测速度的同时提高检测图像分辨率,本文引入图像融合和插值的方法对太赫兹检测图像进行了处理。通过对多层带有特征信息的图像进行图像融合,有效增强了图像的特征。基于该方法能够有效地对检测样件的缺陷区域进行面积计算和边缘提取。
  本文通过对多层结构隔热样件的脱粘缺陷进行检测,充分验证了这种方法的可行性。采用这种方法可以有效识别出五层结构样中隔热垫的上表面脱胶和下表面脱胶,纵向分辨率可达2mm。对于结构简单的光敏树脂样件,采用小波变换之后再重构的三维太赫兹图像的纵向分辨率可达到1mm。文中引入 Lipschitz指数来定位多层结构样件的分界面,采用一致Lipschitz指数来描述信号的奇异特征,具有很好的效果。在文章的最后两部分对多层结构的检测结果进行了图像融合,能够有效提高太赫兹成像检测的横向分辨率,本文第六章将小波变换和太赫兹无损成像相结合,应用到太赫兹生物医学的成像检测上,能够有效识别出鸡皮下方的反射面。采用太赫兹成像技术能够识别出人体手背的一些信息,本文只进行了一些初步的研究,太赫兹成像在生物医学领域的应用有待新的发展。
[硕士论文] 李志超
物理学 山西师范大学 2017(学位年度)
摘要:塔尔博特效应为相干照明下光栅衍射区等距离地重现光栅分布的现象。对传统单位宽度刻线较少的光栅,几乎可以完全重现光栅后表面的光场复振幅。在标量衍射理论下可以得到成像平面的位置,及分数塔尔博特效应。随着技术的提高,1mm内刻线接近2000条,光栅的周期可以和波长相比拟的时候,标量衍射理论失效。对光栅衍射规律的研究应该采用严格的衍射理论。
  基于空域,频域,空频域的标量衍射理论,对比分析得出了光栅衍射在其衍射区等距离平面上重现光栅后表面复振幅的原因。其一为光栅的周期性结构使得经光栅出射的光场具有分立的频谱,即出射的光场可以表示为具有特定频率的一些平面波的组合。其二为菲涅耳近似条件下,传递函数为二次复指数函数。基于时域有限差分法,采用CPML边界条件,研究了二维情况下光栅衍射的规律,得到当光栅周期大于2倍波长时,周期性成像依然存在,光栅周期小于二倍波长时,周期性成像逐渐消失。利用矢势方法对光栅衍射规律的分析得到了相同的结论,当周期性的结构的周期小于二倍波长时,周期性成像现象消失,周期大于二倍波长时,依旧存在塔尔博特效应。在应用塔尔博特效应进行结构测量,阵列照明等应用上可能存在指导意义。在更短波长的探测波可以探测更精细的结构。
[硕士论文] 李凤舞
光学工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:激光诱导空气等离子体放电通道是受到了长久而广泛关注的一个领域。它可以用来引雷,避免重要场所遭雷击破坏;也可以传递高压电击,当作一种激光武器;还可以用作一种传能通道,远距离传输能量。这些在科研、军事和工业等方面的可能应用使它成为世界范围的一个研究热点。
  为了研究激光诱导空气放电的特性,本文搭建了高压电容充放电实验平台。实验中使用的电极为针状电极和圆形铜板电极。所采用的激光器为横向激励大气压(Transversly Excited Atmospheric pressure, TEA)CO2激光器,波长10.6μm,脉冲能量46.5±0.3 J,10%峰值全宽约5μs。
  聚焦光学系统是获得长等离子通道的关键。我们设计了离轴抛物面聚焦镜、圆锥聚焦镜和圆环线聚焦器,并完成了前两种聚焦装置的制作。利用 Fresnel-Kirchhoff衍射积分方程对聚焦特性进行了分析,结果显示,圆锥聚焦镜及圆环线聚焦器,对功率均匀分布的平面波,能够获得设计长度500 mm的聚焦线,但对高斯光束或者稳定腔产生的高阶模式光束,只能获得一小段的高功率密度聚焦线;对实验中选用的激光束,这两种聚焦装置获得的最大功率密度离空气击穿阈值的下限还有一定差别,因此实验研究主要由离轴抛物面聚焦镜完成。
  实验获得的最长等离子体放电通道达到106 mm。通过改变激光能量、放电电压、电极间距等实验条件,获得了放电特性的变化趋势。对不同实验条件下的放电延时及抖动进行分析,发现相同放电电压下,放电延时和抖动会随电极间距的增加而增加,在最长放电等离子体通道106 mm时,放电延时约12μs左右;采用二阶振荡电路模型对放电电流进行拟合得到了激光诱导等离子体放电通道的阻抗,该阻抗会随着电极电压增加略有减小,但受等离子体通道长度的影响并不明显;利用等离子体光谱分析手段,对放电启动前后的激光等离子体和放电等离子体电子密度进行了分析,最高电子密度达到1019/cm3,比飞秒激光等离子体通道高2个数量级,尽管放电启动时等离子体辐射显著增强,但等离子体密度近乎单调下降;最后,我们进行了等离子体通道的电能传递实验,没有单向开关时,能量传输效率为25%,与欠阻尼振荡的理论预期一致。
[硕士论文] 付永栋
物理学 曲阜师范大学 2017(学位年度)
摘要:随着激光应用技术的高速发展,对偏光分束棱镜技术参数的要求越来越多样化和具体化。为了能够更加全面和精确的分析偏光分束棱镜分束角的性能参数,为实际的应用需要提供理论和实验参考,本文以冰洲石晶体制作的偏光分束棱镜为主,对微角分束偏光棱镜和Wollaston棱镜分束角性能参数进行了理论分析和实验验证。对微角分束偏光棱镜的分束角大小、透射比和光强分束比进行了理论分析,其次对三种设计型式的Wollaston棱镜分束角大小随入射角的改变以及分束角对称性的变化规律展开理论分析,并进行比较,总结出分束角对称性好的棱镜设计型式,最后制作棱镜,测试棱镜分束角性能参数,并与理论结果对照。
  本研究主要内容包括:⑴研究了微角分束偏光棱镜分束角的性能参数。理论分析和计算了在光垂直入射时,分束角大小、透射比和光强分束比随工作波长的变化规律;在主截面内光以一定入射角入射时,棱镜的分束角大小、透射比和光强分束比的变化规律。采用坐标变换和光线追迹的方法,分析和总结了光在非主截面斜入射或锥光光束入射时方位角对微角分束偏光棱镜分束角影响的规律。⑵研究了三种不同设计型式的Wollaston棱镜分束角性能参数,主要分析了入射角大小对分束角对称性的影响,并针对同一分束角的条件,对三种不同设计型式Wollaston棱镜分束角的对称性进行了比较研究,总结出在入射角改变时,分束角对称性好的棱镜设计型式。⑶分别制作了微角分束偏光棱镜和Wollaston棱镜,设计了实验,对微角分束棱镜的分束角和光强分束比,三种不同设计型式Wollaston棱镜分束角的对称性进行了实验测试,并与理论值进行了比较。⑷微角分束偏光棱镜在一定结构角下,其分束角随工作波长由短变长而变小;光强分束比随工作波长变长而变大;在特定的工作波长下,入射角由-20o-20o改变时,分束角逐渐变大;而光强分束比先变大后变小,在负角度入射时更接近于1。对三种不同型式的Wollaston棱镜,在入射光正入射的应用中,Ⅱ型Wollaston棱镜分束角的对称性较好;当光以一定角度入射时,要根据入射角度的具体值,从中选择对称性好的棱镜设计型式。
[硕士论文] 杨群
理论物理 四川师范大学 2017(学位年度)
摘要:光力学系统(Optomechanical systems,简称OMS)是由固定的全反射镜和可移动反射镜组成,其中可移动反射镜通过辐射压力与光学腔场相互耦合。目前光力学系统在物理学中的不同研究方向都有着潜在的应用价值,例如纳米力学振子制冷、宏观力学振子和腔场之间的纠缠、光力学诱导透明(Optomechanically induced transparency,简称OMIT)、量子非线性问题等。本文主要研究了双模光力学系统中双重光力学诱导透明和放大的调制,以及利用左右代数动力学方法计算光力学系统含时的解析解。具体研究工作包括:
  1、笔者考虑探测光在具有力学耦合的光力系统中的光力学诱导透明,该系统中两个耦合的纳米力学振子分别被与时间相关的外力驱动。研究发现:振子之间力学相互作用可以将通常的单模光力学系统的透明窗口分成两部分,然后导致双重光力学诱导透明的出现。两个透明点位置之间的距离(最大透明度的频率)由力学相互作用幅度确定。这可以通过光力学缀饰模式的图像来解释,其类似于相干原子中相互作用的暗态共振。另外,双透明光谱中的两个最大透明幅度将随力学振子上的驱动外力增加而改变:通过改变耦合力学振子上的驱动外力,会使右边的最大透明增强,并产生光放大;但是,该驱动外力抑制双透明窗口中的左边最大透明。最后,研究发现双重光力学诱导透明或放大将会随着驱动力的初始相位的改变呈周期为2π的振荡。这些研究将有助于更灵活地控制基于光力学系统的多通道光通信。
  2、笔者采用左右代数动力学方法计算光力学系统约化密度算符方程,从而求得了系统含时的解析解,并得到了系统光子数的解析式。该方法不仅能够比较全面考察环境对系统的影响,同时可以很方便求解含时或者不含时系统的解。
[硕士论文] 赖登高
光学 四川师范大学 2017(学位年度)
摘要:光力学系统(Optomechanical system,OMS)描述的是可移动镜子和腔场通过辐射压互相耦合形成的系统。目前光力学系统被发现有许多潜在的运用,例如振子与腔场的纠缠、力学振子制冷、宏观量子叠加态、光力学诱导透明(Optomechanically induced transparency,OMIT)和压缩特性等。本文主要研究的系统是二次耦合光力学系统。笔者提出了用参量驱动力学振子调控单个二次耦合光力学腔的OMIT,以及讨论了在共同环境中二次耦合光力学腔的OMIT性质,并研究有限带宽的压缩场光场在二次耦合光力学腔中传播特性。本文具体研究如下:
  1、首先,本文提出用参量驱动作用到纳米振子,进而调控二次耦合光力学系统的探测光吸收性质。研究发现通过调谐参量驱动,双声子OMIT会增强以及将会出现完全透明。同时,在透明增强过程中,探测场的透明位置不会发生改变。这就克服了一般情况下,二次耦合光力学系统透明位置发生频移的问题。另外,参量驱动增大时,探测光可以被放大。这提供了基于光力学系统平台来实现力学参量放大的光学证据。在放大区域,通过增强力学参量驱动的振幅和减小耦合光场的功率,可实现光放大的增强。这些研究将有助于二次光力学系统的量子压缩或制造低功率高增益放大器。
  2、然后,本文还考虑有限带宽压缩光场在二次耦合光力学系统中的诱导透明。研究表明,当增加耦合光场的功率时,压缩光场的OMIT窗口将会变得更深和更宽,并且透明位置将会向高频端移动。另外,笔者发现通过提升压缩参量,腔内光子数将会增加从而改善了OMIT。除此之外,笔者还发现压缩光场的带宽和环境温度也将明显改善二次耦合光力学系统的OMIT。该发现将有助于振动薄膜的制冷。
  3、最后,本文探究在共同热浴中,双腔二次耦合光力学系统中探测光的诱导透明。笔者发现探测光透明性能将随着作用到左腔的耦合光场(左耦合光场)的增强而得到改善,但是透明位置将随着左耦合场的增强而移向高频部分。然而作用到右耦合腔的耦合光场,将使透明位置移向低频部分,因此,通过调节左右耦合光场的功率可固定透射位置。通过解析分析出其透明位置由左右耦合光场的强度差决定。另外,笔者还发现当把左右耦合的光学腔放在同一个热浴中时,由于共同热浴中产生的交叉衰变项将明显地改善透明程度和拓宽透明窗口。最后,笔者还发现环境温度将改善透明性能。这将有助于振动薄膜的制冷,输出光场的压缩和纠缠的研究。
[硕士论文] 龚霞
理论物理 四川师范大学 2017(学位年度)
摘要:左手介质与常规介质不同,它为物理学发展开创了一片新的领域。当电磁波通过左手介质时,会出现很多奇异的现象,如负折射效应、逆Doppler效应等。近年来,左手介质在光学、材料科学、电磁学等领域引起了诸多关注。因此,研究光束通过左手材料(LHM)的传输特性具有重要意义。
  本学位论文主要对复宗量双曲余弦平方-高斯光束(EchSGB)和双曲正弦平方-高斯光束(ShSGB)通过平板LHM的传输特性进行研究。基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分推导出EchSGB和ShSGB在自由空间、平板LHM内部和通过平板LHM后的三维光强传输公式,采用二阶矩定义推导了EchSGB和ShSGB的光斑尺寸、束腰宽度、束腰位置、M2因子的解析表达式,并对其进行数值计算和分析。研究表明:
  1.EchSGB的束腰宽度只受与复宗量双曲余弦平方因子相关的参数a、b影响,光斑尺寸、束腰位置以及M2因子还会受到LHM负折射率nL的影响,材料的负折射率改变光束分布的位置,参数a、b改变光束的形状和大小。当计算取特殊值时,LHM能使EchSGB重现。因此,实际运用中,可以选取较小参数值的EchSGB通过较大负折射率的LHM,获取质量更好的光束,同时还可通过改变光束参数a、b以及LHM负折射率n,的大小在不同位置对该光束整形。
  2.LHM对ShSGB轴上光强和横向光强分布规律的影响是使光强呈对称分布;材料的负折射率会影响光束轴上光强极大值的位置,轴上光强和横向光强的分布均随传输距离和参数α的变化而变化,α是与双曲正弦平方因子相关的参数;束腰宽度只与参数α有关,轴上光强、横向光强、光斑尺寸、束腰位置、M2因子还会受LHM影响;较小的参数α值和较大的负折射率绝对值都使得M2因子的值变小,即光束质量更好。此外,还可通过改变光束参数α以及LHM负折射率nL的大小在不同位置对ShSGB整形。
[硕士论文] 高姣林
机械制造及其自动化 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:与球面光学元件比较,非球面能在简化系统外形、降低系统成本的同时使系统轻质化,且能很好地校正光传递过程中产生的像差。本文针对非球面校正球差时产生新的像差问题,致力于球面透镜的像差特性分析与理论校正研究。引入了一种同时消除像散、场曲和球差的优化设计方法,研究了单个非球面透镜优化设计前后系统的各像差及整体成像质量的变化规律,优化了透镜系统整体的成像质量。本文主要研究内容和结果如下:
  (1)基于像差理论分析了各像差包括正弦差、球差、色差、彗差、像散与场曲以及畸变等的产生机理及校正方法。通过研究光学成像原理,发现了球差存在的根本原因是由透镜的球面折射使平行光束不能聚焦于一点所致,并基于像差理论提出利用非球面来校正球差的设计思想;
  (2)通过对球面透镜系统初始结构的分析,引入一种同时校正像散、场曲和球差的非球面光学系统像差校正理论,解决了以往设计中因非球面校正球差时引入新的像差而对系统整体像质产生影响的问题;
  (3)实现了完整非球面消球差透镜系统的优化设计,在此基础上对多种适应光学系统像质评价方法包括分辨率、点列图、瑞利判断、斯托列尔(中心点亮度)判断以及光学传递函数等进行了研究,并根据系统结构构建了本透镜系统的像质评价标准;
  (4)评定了系统优化前后的像质,并对单个非球面透镜优化设计前后系统的各像差及整体成像质量的变化规律进行研究,经仿真对比分析球面透镜和非球面透镜点列图、MTF曲线、场曲和畸变以及赛德尔系数图,发现非球面优化后系统的像散、场曲及球差大幅减小。经验证所得非球面透镜系统结构简单、成像质量优良,满足技术要求。
  本文提出的方法能够在像散、场曲较小的情况下,消除球面透镜系统存在的球差,所提方法切实可行,可为进一步实现复杂的光学系统设计提供理论技术支撑。
[硕士论文] 王旭
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:本文主要研究了雾霾组分气溶胶粒子对平面波/波束的散射特性。其中雾霾组分主要包括硫酸铵、硫酸、硝酸铵和碳元素。散射特性的研究主要包括散射相函数、散射强度和微分散射截面随散射角的变化以及消光效率因子、散射效率因子和吸收效率因子随粒子尺寸参数的变化问题。主要工作成果如下:
  1.首先基于Mie理论研究了均匀球形和分层球形雾霾组分气溶胶粒子对平面波的散射特性,并比较了均匀球与含水分层球粒子散射特性的差异。然后利用T矩阵方法研究了均匀旋转对称椭球、圆柱体和切比雪夫雾霾组分气溶胶粒子对平面波的散射特性。将椭球粒子等效成相同体积的球形粒子计算其散射特性,并与椭球粒子的散射特性进行比较,得出在粒子半径与入射波波长相当的情况下,当旋转对称椭球的轴比接近1时,椭球可以等效成球形来计算其散射特性,而当旋转椭球接近于针形时,则不能等效成球形粒子来计算散射特性。最后还比较了旋转对称形粒子的形状对散射特性的影响。
  2.采用广义多球Mie理论(GMM)研究了团簇雾霾组分气溶胶粒子对平面波的散射特性,并比较了同组分团簇粒子与混合组分团簇粒子散射特性的差异以及相同团簇入射波方向不同时,团簇散射特性的差异。并使用广义多球Mie理论数值计算了扩展限制凝聚模型(DLA)理论所编写软件产生的凝聚分形团簇体的散射特性,分析比较了入射波方向和凝聚团簇组分对凝聚团簇散射特性的影响。
  3.使用广义Mie理论(GLMT)研究了均匀球和含水层分层球形雾霾组分气溶胶粒子对有形波束的散射特性,并比较了均匀球与含水分层球雾霾组分气溶胶粒子的散射特性的差异。
  (1)基于广义Mie理论原理中的区域近似方法给出了高斯波束波束因子的表达式。编写了数值仿真计算均匀球和分层球粒子与高斯波束作用散射特性的程序。比较了高斯波束和平面波与雾霾组分均匀球形和含水的分层球形气溶胶粒子相互作用散射特性的差异。
  (2)采用广义Mie理论中的计算波束因子的积分局部近似方法推导了贝塞尔涡旋波束的波束因子表达式。基于以上的推导编写了数值计算均匀球与分层球粒子散射特性的程序,通过与参考文献零阶贝塞尔涡旋波束与球形粒子作用散射特性的比较,证明了所编程序的正确性。并研究了不同拓扑荷数的贝塞尔涡旋波束与均匀球和含水分层球霾组分气溶胶粒子作用的散射特性。
  (3)使用角谱法推导出了拉盖尔高斯波束空间直角坐标系下电磁场的表达式,采用积分局部近似方法推导了拉盖尔高斯波束与球形粒子散射的波束因子表达式,并编写了拉盖尔高斯波束与球形粒子散射的仿真程序,通过零阶拉盖尔高斯波束和x轴方向极化的高斯波束与球形粒子相互作用散射特性的比较,验证了所编写程序的正确性。最后研究了不同拓扑荷数的拉盖尔高斯波束与均匀球和含水分层球霾组分气溶胶粒子作用散射特性变化的差异。
[硕士论文] 高鹰
光学工程 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:三维重建作为一种能够恢复物体表面几何形状的技术,一直是计算机视觉的一个重要研究领域,它有着广泛的应用前景。目前,利用图像阴影、纹理、偏振和运动等信息进行物体三维重建仍然是基于图像特征的形状恢复技术的主流发展方向,其中利用反射光的偏振信息进行物体表面三维重建的方法(Shape FromPolarization,SFP)引起了科研人员的广泛关注。然而国内外在这方面的研究大多还是集中于采用物体镜面反射光偏振信息三维重建的方法(Shape FromSpecularPolarization,SFSP),但是由于镜面反射光本身的方向性极强,所以SFSP对环境光要求苛刻,因此该方法实现难度较大。针对以上问题,本文提出了一种利用物体漫反射光偏振信息进行物体表面三维重建(Shape FromDiffuse Polarization,SFDP)的方法,该方法结合了Kinect采集到的深度信息作为先验知识对法线图进行校正,结果表明,利用物体漫反射光的偏振信息能够有效的实现物体表面的三维重建。本文的主要工作及创新点如下所示:
  (1)讨论了SFDP的理论基础,分析了光的偏振态并介绍了偏振态的表示方法,给出了偏振光的Stokes矢量表示方法的推导过程以及其测量原理和方法,并解释了其与偏振光几何椭圆表示法之间的关系。再通过对菲涅耳公式的推导,以及对折射率反射率的求解,从理论上解释了漫反射光偏振特性的存在,论证了SFDP的可行性。
  (2)建立了物体反射光偏振信息与物体表面法线的几何关系模型,通过利用菲涅耳公式,建立了物体表面镜面反射光和漫反射光的偏振度(DOP)与入射角的关系模型,分别分析了利用镜面反射光偏振信息和漫反射光偏振信息求取物体表面法线存在的问题,提出利用Kinect获取到的深度信息作为先验知识进行法线图校正的方法。
  (3)根据理论基础搭建了实验平台,给出了SFDP的重建流程与实验方法。通过未经校正的法线图进行重建得出未经校正的重建结果,对未经校正的重建结果出现的问题进行了分析,然后利用Kinect深度信息对法线图进行校正处理,得到合理的重建结果,通过分析噪声和镜面反射光对实验结果的影响,利用噪声滤除和去镜面反射处理,提高了重建结果的质量,验证了SFDP结合Kinect深度信息校正的可行性。
  本文通过SFDP方法实现了非透明绝缘物体表面的三维重建,并利用Kinect深度信息对法线图进行校正,成功解决了SFDP方法中存在的入射方位角不确定性的问题,通过分析噪声以及镜面反射成分对实验结果的影响,提出了重建结果的优化方案。本文提出的重建算法实验装置简单,重建结果良好,为解决低分辨率深度传感器的细节丢失问题提供了一套有效的解决方案。
[硕士论文] 李荣
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:近年来水污染、食品安全、疾病健康等问题日益突出,严重威胁着人类的健康。传统检测方法存在仪器体积较大、价格昂贵、操作复杂等问题,因此发展一种低成本、高灵敏度的生化检测技术成为当前的研究热点之一。背向散射干涉(Back-scattering interferometry, BSI)技术具有免标记、所需样品量小、检测限低、灵敏度高等优点,有望应用于食品检测、环境监测、临床诊断以及生化分析等领域中。
  将激光入射到通有待测物质的毛细管内,光在毛细管内外界面多角度的反射和折射,在环绕管轴360°范围内产生了干涉条纹,人们将其形象地称为“背向散射干涉”。当管内液体的折射率改变时,干涉条纹花样不变,但相对于初始干涉条纹有一定移动,根据移动量与折射率变化间关系,可实现折射率变化、抗原-抗体等分子间作用的测量。本文在BSI技术基础上,结合温度控制和快速傅里叶变换,搭建了一套基于 BSI的高灵敏度定量分析与检测系统,并实现了微体积非吸光物质高灵敏度的定量检测;由于吸光物质吸收激光会产生光热效应,并引起溶液折射率的改变,因而该系统还可以用于微体积吸光物质的高灵敏定量检测。本文主要研究内容如下:
  1、采用温度控制系统和保温装置,实现了待测样品所处环境的温度的精确控制,使得检测过程中,样品不受周围环境温度波动的影响,实验过程中温度的波动仅有±0.007℃,提高了检测的分辨率和系统的稳定性,并通过LabVIEW实现了数据的实时采集和自动化处理。
  2、通过对不同浓度的甘油和不同温度超纯水的检测,验证了该检测系统对非吸光物质的高灵敏度定量检测性能。基于红墨水溶液中的光热效应,对不同浓度品红墨水的光热信号进行了测量,结果表明该检测系统可用于对吸光物质的定量检测。
  3、过量的亚硝酸盐对人体健康具有极大的危害,因此对亚硝酸盐的定量检测具有重要的意义。利用改进的格里斯重氮化反应,使得亚硝酸盐通过显色反应转变为紫红色偶氮化合物,该化合物吸收绿色激光会产生明显的光热效应。采用波长为532 nm的激光作为激发光源,利用该化合物溶液的光热效应和 BSI技术实现了亚硝酸盐浓度的定量检测;对自来水及加标自来水样中的亚硝酸盐进行了检测,并与紫外-可见光分光光度法的检测结果进行了对比,结果表明基于光热效应和 BSI技术可实现亚硝酸盐的高灵敏度定量检测,使用3σ方法得到检测限为0.05 mg/L。
[博士论文] 王声翔
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:在过去的一个多世纪,利用物质吸收信息的X射线成像方法在医学诊断、材料科学、信息科学、生命科学以及各种工业领域中发挥着重要的作用。随着科学技术的更新,如今X射线成像研究在吸收衬度成像基础上,开展了很多基于相位衬度的成像理论和实验方法学研究。自上世纪九十年代,这一研究开始被报道以来,一直受到众多科研工作者的关注,特别是当X射线与物质相互作用时,低原子序数组成的轻元素样品发生的相位变化是吸收变化的几千到几万倍。这无疑在生物成像和医学诊断领域中有着重要的研究意义。
  在众多X射线相位衬度成像技术中取得巨大发展的技术主要有两种,分别是基于同步辐射光源的透射X射线泽尼克相衬成像和使用实验室光源的X射线光栅相位衬度成像。本文正是利用这两种成像技术开展了生物成像的理论研究和相关实验方法学的探索,根据X射线相位衬度成像系统的具体性质开拓生物学成像应用,主要包括完整细胞样品的纳米分辨三维结构成像和水果样品无损检测。
  细胞是生命活动的基本单位,对于完整细胞的纳米分辨三维成像的研究是目前细胞生物学领域中一项重要的课题。以花粉细胞成像为例,目前使用较多的可见光显微镜受限于空间分辨率难以观察亚细胞结构,而电子显微镜虽具有很高的空间分辨能力却难以穿透完整花粉细胞获得三维结构信息。本文阐述的X射线显微技术,无需机械切片,并以很高的空间分辨能力进行完整花粉细胞进行三维成像。在获取不同亚细胞器三维结构和分布情况时,具有快速的统计各细胞器的体积含量等优势。本文基于系统分辨力为30nm的北京同步辐射透射硬X射线泽尼克相衬显微镜,选取水稻花粉作为研究对象,开展X射线相位衬度成像理论和细胞三维成像实验方法学研究。
  合肥国家同步辐射实验室搭建了自主设计的X射线光栅相位衬度成像系统,并对这一系统从搭建到测试,从成像理论到实验验证开展一系列研究工作。不同于普遍开展的动物实验研究,本文依托X射线光栅相位衬度成像平台开展了水果无损检测应用实验研究,通过一次成像,同时获得水果的吸收、相位和散射三种不同的信息。三种信息互为补充,从不同角度反映了样品的内部结构信息,实现对样品的完整表征。通过对比三种信息图像和已有的动物组织成像研究,论证了X射线光栅干涉仪成像在水果无损检测,乃至食品无损检测上巨大的应用价值。
  本论文的工作和创新主要如下:
  1.提出了一种快速分离样品相移信息分离新方法。
  本文先对X射线相位衬度成像技术从信息分离方法和实验技术方面进行了详细的研究和分析。并参照微分干涉仪成像原理,提出一种使用双频光栅用于透射显微镜的相移信息分离新方法。
  2.发展了透射X射线泽尼克相衬显微实验方法学。
  本文通过借鉴电子显微镜样品处理和软X射线细胞成像方法,探索了适合硬X射线泽尼克相衬细胞显微成像的方法,并在北京同步辐射装置硬X射线泽尼克相衬显微镜上首次完成35微米大小真核细胞纳米分辨三维成像。
  3.研究了花粉细胞纳米分辨三维细胞器含量和分布情况。
  利用三维重构片层准确的将水稻花粉的细胞壁、萌发孔、细胞核、液泡、油滴和线粒体等重要的亚细胞结构区分出来。统计并计算了花粉各细胞器的体积含量和相对表面积百分比,其中油滴所占细胞体积百分比最高,达9.98%。液泡和细胞核各占总体积的3.54%和2.25%,线粒体所占体积约2.37%。从实验结果上为后续硬X射线细胞三维成像摸索出一条有效的实验技术。
  4.开拓了X射线光栅相位衬度成像的水果无损检测应用。
  大量的科学研究渴望利用X射线光栅相位衬度成像在医学诊断中做出重大突破,然而由于目前X射线光栅相位衬度成像对人体造成的辐射损伤超出可接受范围,使得这一应用处于瓶颈之中。本文对圣女果和梅干开展实验研究。通过对不同品种和状态水果开展成像实验,证实了X射线光栅干涉仪对各组织密度差异较小的水果样品成像有明显的优势。
[硕士论文] 侯姣姣
光学 湖南师范大学 2017(学位年度)
摘要:随着现代科技对量子信息的持续关注,基于量子网络的量子通信和量子计算得到迅速发展。众所周知,量子网络在结构上由两部分组成,即量子通道和量子结点。其中,量子通道主要负责信息的传输,量子结点则负责连接在不同量子通道中的量子信息和控制量子信息被接收到理想的地址。显然,这里必须要有一个合适的信息载体,由于光子属于中性粒子,光子与光子之间没有直接的耦合而且它们与大多数物质之间也不产生强的相互作用,它们在空间或介质中通常是以光速长距离、低损耗的传输,因此它们便成为携带量子信息的最理想载体之一。在有了合适的载体之后,操控单光子就成为量子网络中研究的重要问题。大多操控单光子的模型是利用腔量子电动力学(CQED),通过控制原子与腔之间的相互作用,从而实现单光子的可控传输。
  最近,科研工作者不仅在理论上,也在实验上对单光子传输和路由进行了大量研究。然而大多数研究中的量子通道都属于单量子通道,换句话说,量子通道仅仅包含一个输入端和输出端。但是复杂的量子网络不可能仅仅包含一个输出通道。因此多通道量子路由更值得人们研究。现在也有一些关于多通道的单光子量子路由的研究,比如,一个循环的三能级系统嵌入在由两个一维耦合谐振波导(1D CRW)组成的多量子通道中的量子路由。然而这些研究的模型都存在额外的经典场,显然在这种情况下,光子存在耗散。而本文探究了在没有施加额外经典场情况下的单光子输运和路由。
  本文分为四章。第1章论述了论文的研究背景,简单阐述了单光子传输和操控对量子信息的影响及其作用,论文的研究目的和主要内容等;
  第2章介绍了在论文研究部分所用到的基本理论,包括腔量子电动力学的基本概念和动力学,散射的基本理论和量子力学的处理方法,并以一个二能级原子嵌在一维耦合谐振波导中为例,介绍单光子散射的处理方法;
  第3章主要研究单光子在多量子通道中的传输和路由问题。我们选取两个嵌入在由两个一维耦合谐振波导(1 DC RWs)组成的多通道中的二能级原子,并考虑两个二能级原子间存在偶极-偶极相互作用的情形,分析了单光子的散射性质,如透射率和反射率特征,以及如何控制单光子输运,实现单光子路由。我们发现,当CRWs的两能带之间重叠,共振隧穿诱导原子成为多通道路由器。然而如果两能带之间完全没有重叠,束缚态的存在使得原子成为单通道路由器,单光子在此情形下能发生全反射。
  在第4章主要对论文的研究工作做了总结以及对未来量子信息的发展做了展望。希望在未来的量子信息处理和量子网络研究方面,能在本论文的基础上,通过改变其模型和散射源实现更好的量子信息处理。
[硕士论文] 王晶静
光学 山西大学 2017(学位年度)
摘要:连续变量Cluster纠缠态是构建量子信息网络和执行单通道量子计算的关键性资源,可以广泛应用在量子信息通讯、量子计算以及量子测量等领域,进而不断促进量子信息科学技术的飞速发展。因此,如何获得连续变量Cluster纠缠态已经成为量子光学领域科学家研究的热点之一,现阶段已有一些基于频域和时域产生多组份纠缠的理论方案和实验研究,产生的多组份纠缠可用于实现波分复用技术和时分复用技术。
  本文我们以运行在阈值以下的大菲涅尔数(Large-Fresnel-number)简并光学参量振荡器(DOPO)和自成像的光学参量振荡器(OPO)作为研究的基础模型,利用两束拉盖尔高斯模泵浦光学腔,通过参量下转换过程产生基于空间模式梳的连续变量Cluster纠缠态。以场的哈密顿量和朗之万方程作为计算的起点,计算出各个场的稳态方程以及正交振幅和正交位相的量子起伏。在实验可行的参数机制下,给出纠缠度随泵浦参数、归一化分析频率等的变化关系,找到最大纠缠度对应的最佳参数,从而验证了连续变量空间Cluster纠缠态之间相互纠缠。这是一种从频率域扩展到空间域的理论方案,具有可操作性,产生的连续变量Cluster纠缠态可以用于实现空分复用技术,为未来实用性量子计算及大容量光纤的量子保密通讯工作奠定了坚实的基础。
  本文研究的主要工作如下:
  (1)利用两束相同频率和偏振的拉盖尔高斯模(lgp1,lgp-1)泵浦大菲涅尔数DOPO,产生基于光学空间模式梳的11组份拉盖尔高斯模的连续变量Cluster纠缠态,并且利用Cluster态的纠缠判据证明连续变量Cluster态之间确实存在纠缠。此方案中的大菲涅尔数DOPO可以使所有的下转换模同时并且持续的非线性相互作用和共振,在下转换过程中满足动量,能量和轨道角动量守恒。这种基于光学空间模式梳的连续变量Cluster纠缠态在基于测量的量子计算、量子信息过程和量子图像等方面都有重要的应用。
  (2)我们以自成像OPO作为理论模型,在腔内分别放置两块不同相位匹配zzz和yyy参量下转换的非线性晶体PPKTP,通过考虑模式的不同偏振使下转换模的数量增加一倍。利用两束同频率但不同偏振(z,y)的拉盖尔高斯模(lgplz,lgp-1y)泵浦OPO,通过参量下转换过程产生20个简并频率不同偏振的拉盖尔高斯模,经过50/50分束器耦合,形成基于空间模式梳的连续变量双轨(Dual-ail)Cluster纠缠态。此方案在实验上具有很强的操作性和可控性,为将来产生大尺度的空间Cluster纠缠态提供了理论基础和实验指导。
[硕士论文] 郭文丽
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:强激光已被应用于新能源、新材料、国防等重要领域,其中超短脉冲激光与固体材料的相互作用研究已经成为非常前沿的热门领域之一。光致电离过程是强激光与固体材料相互作用的基本物理过程之一。目前国际上主要采用Keldysh解析模型对光致电离过程进行计算。虽然Keldysh模型取得了很大的成功(几乎所有强激光与固体材料文献中都采用它进行计算),但理论本身有其固有的局限性。而这局限性来源于推导过程中采用的近似,即鞍点法和初始小动量的假设。Keldysh解析模型要求参与光致电离的电子的初始动量很小,这个假设在光强不是特别强时,可以适用,但光强很强时,这个假设不能成立。另外,现有Keldysh解析模型中,并没有考虑布里渊边界对光致电离的影响(现有的研究发现,当光强很强时,布里渊边界会对跃迁产生很强的影响)。在本文中采用数值方法研究固体中的光致电离过程,克服了现有Keldysh解析模型的局限性。本文主要内容如下所示:
  (1)利用数值方法计算研究了ZnO材料的光致电离过程,并以此分析现有Keldysh解析模型的局限性和适用范围。在计算过程中,我们避免了Keldysh公式中的所采用的近似假设,并利用蒙特卡罗方法处理了布里渊空间的多重积分。我们的研究表明,当光强不是很强时(激光与固体材料的作用强度在多光子区域), Keldysh公式中的小准动量假设是一个很好的近似。但是当光强很强(激光与固体材料的作用强度进入到隧穿区域),小准动量假设并不合适,并造成数值方法和Keldysh解析公式在结果上的明显差异。
  (2)利用数值方法系统分析了材料参数(禁带宽度,电子有效质量,布里渊区大小等)对固体光致电离速率的影响规律。
  (3)将论文中的数值方法应用到:1)固体材料瞬态自由电子密度演化的计算;2)固体材料瞬态光学性质的计算;3)飞秒激光诱导固体材料损伤阈值的计算。计算表明:数值方法对Keldysh公式在激光脉宽较宽时修正较小(此时激光峰值功率密度较小),但当激光脉宽较短时(此时激光峰值功率密度很高)修正很明显。在计算熔石英和钡铝硼硅酸盐不同脉宽损伤阈值时发现:用Keldysh方法计算出来的损伤阈值在长脉宽时与实验值吻合较好,但在短脉宽区域与实验值有着明显的偏离。而所采用的数值方法在整个脉冲区域都与实验吻合的较好。
[硕士论文] 孙瑜
光学 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:高功率激光系统的发展是现在激光技术应用的主流方向,由于光学元件损伤限制了高功率系统如ICF激光驱动器的研发,怎么最大程度减弱激光辐照造成器件表面损伤是现在需要解决的问题。强激光诱导熔石英光学元件因其良好的物理特性和抗损伤能力,在经济成本制约和科技进步的不断努力中,正在其发展历程中不断解决一个又一个技术问题。现在主要的修复光学材料表面损伤和损伤再生长的技术中,CO2激光辐照材料表面技术被广泛地采用。本篇文章主要是针对这一技术开展了一系列地理论分析和数值计算,建立和分析了其热力学理论模型,以热吸收作为研究起始,通过实验和仿真进一步对激光辐照中熔石英元件的温度分布、残余应力的特点和熔融流动的实时进程进行对比研讨,将运用广泛的光学材料表面损伤在物理层面建立模型,然后观察各种激光参数对高斯坑的熔融修复形貌的大小影响的分析,主要的研究内容和结果如下:
  1、模拟熔融二氧化硅元件由不同的激光高斯圆光斑照射的温度分布和变化过程。当激光照射损伤的熔石英元件的表面时,光学元件表面的中心温度较高,然后周围材料的温度成依次递减趋势,沿着水平面方向从激光照射损伤坑的中心起温度梯度较小,垂直于元件表面指向元件内部的温度梯度较大。激光辐照光学元件表面温度升高和降低表现为前期变化迅速,等到后期则变化缓慢,同时材料的光斑边缘周围表面温度梯度很大。
  2、在本文中,通过热传导和熔体流动的耦合对CO2激光照射下光学元件表面的二维熔体流动建模。通过理论与实验的结合,描述了熔融石英材料表面损伤的重建形态特征。分析了三种驱动力对熔体流动过程的作用。发现熔融二氧化硅元件的表面张力是流动的主要推动力,在其的影响下,光学元件表面材料的流动明显变化。损伤坑附近环形凸起的特殊形态与结论一致。
  3、建立了带凸起的损伤坑的模型。在仿真实验中,我们采用的是二维熔体流动模型来模拟激光修复损伤的过程。经过仿真我们可以得出结论,对损伤坑运用单点修复后,在元件表面的高斯坑区域观察环形凸起的修复后遗迹。然而原始损伤尺寸越大,修复光学元件表面的难度越高。
  4、研究激光功率、辐照时间和激光光束半径对激光照射期间熔融流动的作用。通过观察由实验数据绘制的二维图可以发现,无论何种类型的损伤,修复结束后形成的表面形貌都很相似。此外,损伤坑比较深的区域修复难度也相对较大,因为在目前的计算条件和模型难以使损伤达到理想修复效果,即修复后形成周围带凸起的高斯坑,从而达不到预期的修复效果。总体来说提高激光装置的输出稳定性、增大光束的半径以及合理的控制辐照时间可以使修复后的表面更光滑。
  5、分析激光器发射的脉冲激光参数对修复光学元件表面尺寸的影响。实验数据表明在CO2激光修复时,高斯坑普遍出现在蒸发和熔融区,激光输出功率、照射长短、斑点尺寸对修复尺寸的作用更为显著,特别是对光学元件表面损伤坑高度的修复比较大,而激光光束脉冲频率和占空比对修复大小的作用相对来说较低。并且激光器的激光光束频率的加大,观察到蒸发尺寸开始降低,但熔化尺寸不改变,这样就制约了蒸发,使光学元件表面平滑。
[硕士论文] 王蕾栋
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:典型的光力系统一般由一个法布里-珀罗(Fabry-Perot)式光学谐振腔构成,而Fabry-Perot是由两个腔镜组成,一个腔镜固定不动,而另一个腔镜是可以自由运动的(它可以看作是一个固有频率为m的纳米谐振子)。光力系统在理论和实验研究方面已经取得巨大的成就,其中有一些新颖和有趣的现象,例如:光学双稳态(Optical Bistability),光机械诱导透明(Optomechanically Induced Transparency),正常模式分裂(Normal Mode Splitting),慢光(Slow Light),暗态光机运动(Optomechanical Dark State)等现象已经接连地出现。这些现象能被光机械相互作用的线性性质做出合理的解释。然而,事实上由于线性腔光机械模型没有把光机械耦合固有的非线性特性考虑进去,结果在光力系统中,一些有趣的非线性现象可能被忽视。
  光力系统的非线性效应是近年来被提出并引起广泛关注的研究课题,人们期待它能够展现出丰富而非凡的性能。非线性光机械相互作用已经成为当今光力系统的一个新的重要研究领域并且在经典和量子机械装置中成为有趣的话题。在本论文中,主要研究含有量子阱的三模光力系统的非线性光学特性。通过求解系统所满足海森堡-朗之万运动方程(Heisenberg-Langevin equations)并利用光腔满足输入-输出关系,可以得到二阶边带效应以及慢光效应。全文由五章构成。
  在第一章(绪论)中,详细综述了光力系统的研究背景以及非线性光学领域研究现状,最后介绍本文研究内容和全文结构。
  在第二章中,介绍了几种典型的光力系统以及有关光力系统的一些理论知识。
  在第三章中,研究了含有量子阱的三模光力系统中的二阶边带效应。在这样的一个三模光力系统中,泵浦激光-激子失谐量,光-激子耦合强度以及泵浦功率对二阶边带效率都有着重大的影响。实验数据结果证明,由于存在量子阱二阶边带效率在该光力系统中发生极大地改变。如果光腔与量子阱之间的耦合越强,二阶边带效率就越大。通过调节泵浦激光-激子的失谐量,二阶边带效率能够被明显的改变,当调节的参量相同时,二阶上边带产生的现象与二阶下边带产生的现象类似,不同之处在于,二阶下边带产生的效率没有二阶上边带高。
  在第四章中,讨论了三模光力系统中的慢光效应。随着探测激光-泵浦激光失谐量δ的增大,探测透射光束的相位迅速增大。通过含有量子阱的三模混合光力系统的共振探测光束能够被极大地延迟,即经过该系统的共振探测光束会变慢。计算得到,经过该系统的共振探测光束最长可延迟约为8ms。研究表明,在这样的一个三模光力系统中,机械振子震荡的阻尼率,量子阱震荡的阻尼率,光-激子耦合强度,泵浦激光-激子失谐量以及泵浦功率对共振探测透射光束的最大群延迟时间都有着重大的影响。
  第五章对本文内容做出了总结,并对未来工作做了一些展望。
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