基本信息
- 项目名称：
- 微透镜的蒙特卡罗仿真研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 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。
