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承办单位: 四川大学     

基本信息

项目名称:
微透镜的蒙特卡罗仿真研究
小类:
信息技术
简介:
基于光波的折反射定律和衍射理论,综合考虑微透镜的几何形状、透镜的像差和衍射效应,利用蒙特卡罗方法,建立了高斯光束经过微透镜传输的数值模型。利用此模型,对高斯光束通过球型微透镜聚焦进行了仿真研究。
详细介绍:
基于光波的折反射定律和衍射理论,利用蒙特卡罗方法,建立微透镜的蒙特卡罗模型,仿真高斯光束通过微透镜传输的过程。该模型的优点在于不需要使用处理球差的波像差或者相位变换概念,是直接在界面使用折射和反射定律,还可以根据两种媒质界面平面波的透射-反射菲涅耳公式考虑反射损失。它不仅可以考虑三级球差,还自动考虑了五级及更高级的像差,还可以考虑反射损失。这样就可以同时考虑像差、衍射对微透镜成像的影响,使其结果更切合实际

作品专业信息

撰写目的和基本思路

研究微透镜球差与衍射对光传输特性的影响,本文基于光波的折反射定律综合考虑透镜的几何形状,透镜的像差和衍射效应,利用蒙特卡罗方法,建立数值模型。

科学性、先进性及独特之处

利用蒙特卡罗方法所获得的问题的解实质上更接近于物理实验结果,而不是经典数值计算结果。利用该方法可以分析球差,衍射同时作用时对光束传输的影响,方法简单可靠,应用灵活性强,并且该模型也是用与分析和模拟各种形状的微透镜光学系统。

应用价值和现实意义

微透镜广泛应用于各种光学耦合系统之中,是用该方法所获得问题的解实质上更接近于物理实验结果,而不是经典数值计算结果,因此对微透镜的实验研究具有重要指导意义。

学术论文摘要

基于光波的折反射定律和衍射理论,综合考虑微透镜的几何形状、透镜的像差和衍射效应,利用蒙特卡罗方法,建立了高斯光束经过微透镜传输的数值模型。利用此模型,对高斯光束通过球型微透镜聚焦进行了仿真研究;仿真结果显示:束腰落点位置和轴上最大光强位置并不在几何焦点处,存在焦移,并且两者也不重合;束腰平面的中心光斑能量要大于几何焦平面的中心光斑能量;观察面上的光子分布曲线存在关于光轴对称的两个极值点。仿真结果表明了该模型的正确性和实用性。

获奖情况

作品中部分内容已通过论文“Monte Carlo Simlulation for fiber hemispherical miro-lenses”在“2011 IEEE电子学与光电子学国际会议(ICEOE 2011)”录用,被EI和ISTP检索。

鉴定结果

论文内容属实,具有很高的科学研究价值和学术价值。

参考文献

光通信系统中的耦合器,发光器件,CCD耦合装置[1-3];几何光学或衍射理论对于透镜的研究[4-5]; [1] C.A.Edwards, H.M.Presby, and C.Dragone. Ideal microlenses for laser to fiber coupling[J]. J.Lightwave Technol 1993 (11): 252-257 [2] Huei-Min,Sun-Yuan Huang,Chao-Wei Lee et al. High-coupling tapered hyperbolic fiber microlens and taper asymmetry effect[J]. J.Lightwave Technol 2004(22):1395-1401 [3] M.Lehtonen, G.Genty, and H.Ludvigsen. Tapered microstructured fibers for efficient coupling to optical waveguides: a numerical study[J]. Appl. Phys 2005(B 81): 295-300 [4] kifumi Yoshida. Shperical aberration in beam optical systems[J] Appl. Opitcs 1982(21): 1812-1816. [5] YAJUN LI. Focal shift formula for focused, apertured Gaussian beams[J]. J. Modern Optics 1992(39): 1761-1764

同类课题研究水平概述

通常微透镜的面型是球面和柱面,应用最多的微透镜是球面微透镜。微透镜的光学性能是依据焦距和光场分布进行判断的,同时,透镜的衍射受限条件(波前形变小于1/4波长)也是判断透镜光学性能好坏的一个标准,这就意味着对非球形微透镜的研究是必要的。但是就目前对于微透镜的加工制造技术而言,还不能精确地控制微透镜的面型。因此目前大多数的光学系统中的微透镜的面型是球面,在分析这类光学系统时,通常都是将透镜视为理想薄透镜,然而,实际上它并不是理想薄透镜而是具有一定厚度的,因此这种近似是不严格的,与实际系统相差较大。同时,球面微透镜存在像差,而目前对像差的研究大多是基于几何光学或衍射理论。在这些研究方法中,由于微透镜的窗口衍射效应不能忽略,因此几何光学方法不再适用。基于衍射理论的研究方法中,透镜像差都被描述成光学系统的波前失真,并且通常只考虑低级像差,很难精确地考虑高级像差的影响。
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