环状光束通过像散透镜的变换特性

 基于Tovar提出的平顶多高斯光束模型,给出了环状光束模型。利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分理论,对环状光束通过像散透镜后的传输和聚焦特性进行计算和分析,并讨论了透镜像散对环状光束经透镜变换后对光束质量的影响。研究结果表明:环状光束通过像散透镜后变为非旋转对称光束;聚焦光强随着透镜像散系数的增大而逐渐减弱,聚焦光斑的方位仅由像散系数确定;在光束阶数和入射光波波长一定的情况下,环状光束通过像散透镜的变换特性和光束质量不仅与透镜像散系数有关,还与系统菲涅耳数有关,像散系数增大或菲涅耳数减小时,光束质量变差。     

非均匀偏振光束通过环状光阑像散透镜的聚焦特性

借助于光束相干偏振矩阵和广义惠更斯－菲涅耳衍射积分公式,研究了非均匀偏振(NUP)光束通过环状光阑像散透镜的聚焦特性,并将圆孔光阑作为环状光阑内径为零的特例处理.数值计算结果表明,实际焦点位置、光强和偏振度分布与透镜的像散、环状光阑的菲涅耳数和遮拦比以及NUP光束参量有关.     

用环围功率法研究双曲正弦高斯光束的焦移

 从Collins公式出发研究了无光阑双曲正弦高斯光束的聚焦特性。研究发现聚焦双曲正弦高斯光束的轴上光强为零，因此Li和Wolf二人研究焦移的方法不再适用。使用环围功率法定义束宽和实际焦面，由此可以决定聚焦双曲正弦高斯光束的焦移。数值计算表明，聚焦双曲正弦高斯光束的焦移与偏心参数和菲涅耳数有关，焦移随偏心参数和菲涅耳数的减小而增大。此外，还分析了双曲正弦高斯光束的最佳聚焦问题。     

克尔效应对高斯光束聚焦特性的影响

利用菲涅尔—基尔霍夫衍射积分公式,研究薄片近似情况下的Kerr效应带来的波前畸变对高斯光束聚焦特性的影响.在相位延迟为－2~2 rad的范围内进行的模拟计算表明：正Kerr效应能提高高斯光束的聚焦强度、增大相对焦移量、提高聚焦光束的焦平面桶中功率和降低几何焦平面的峰值光强;而负Kerr效应,则会降低聚焦强度、增大相对焦移量、降低聚焦光束的焦平面桶中功率和几何焦平面的峰值光强.可以通过增大光束菲涅尔数来抑制Kerr效应对聚焦特性的影响.     

环状平顶光束的传输特性研究

利用偏心高斯光束相干叠加方法，建立了柱坐标系下环状平顶光束模型.采用广义强度二阶矩定义，推导出环状光束广义M2因子的解析表达式.利用广义衍射积分理论，给出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式，并进一步给出了环状平顶光束修正的菲涅耳数定义.分析了环状平顶光束在自由空间的传输规律.研究结果表明，该模型可统一描述基模高斯光束、环状高斯光束以及环状平顶光束.环状平顶光束的广义M2因子和环状平顶光束的传输特性与其阶数及遮拦比有关.     

高功率激光通过有中心遮拦透镜的聚焦

用广义惠更斯－菲涅耳衍射积分对有振幅调制和位相畸变的高功率激光束通过有中心遮拦透镜的聚焦特性作了详细研究，并对焦面处光束的可聚焦性进行了讨论。数值计算结果表明，功率集中度与光阑的遮拦比，光束截断参数以及振幅调制和位要畸变参数等有关。     

柱面球差透镜聚焦部分相干光束的焦移

通过定义聚焦光束的等效菲涅耳数,研究了部分相干光经柱面球差透镜聚焦后的轴上光强分布,得到了相对焦移的简单公式,即相对焦移反比于等效菲涅耳数的平方.结果表明,这种基于等效菲涅耳数的计算聚焦光学系统的焦移方法是计算部分相干光束经球差透镜聚焦相对焦移简单且有效方法.还讨论了一种特殊等效菲涅耳数为纯虚数情况.结果证明,在这种情况下,该相对焦移简单公式仍然有效.     

余弦平方高斯光束通过无光栏透镜的梯度力

基于Collins公式推导了余弦平方高斯光束通过无光栏透镜光学系统聚焦后的光强分布及梯度力,采用数值模拟分析梯度力分布及光阱的数量、位置及尺度随光束参数、光束入射距离及系统菲涅耳数的变化。结果表明:光束相关参数b越大光阱的数量越多,光阱的位置随光束入射距离而改变,大小随系统菲涅耳数的增加而减小,但不影响其位置。     

宽频带激光自由空间传输的调制特性研究

基于惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,研究了宽带光束在菲涅耳衍射区的自由空间传输特性,得到宽带光束传输的调制深度与光束带宽Δλ及菲涅耳数F的变化关系。结果表明:一定的带宽对光束的均匀性有适当的改善;当光束的带宽Δλ<2λ0/F时,带宽越大,光束越均匀;当带宽满足条件Δλ=2λ0/F时,菲涅耳衍射完全消失;在一定的菲涅耳数范围内,宽带光束的调制深度随菲涅耳数振荡变化,振荡曲线的主极大值和次极大值分别出现在菲涅耳数为奇数和偶数处,而极小值则出现在菲涅耳数F=2k±1/3(k=1,2,3,…)处,在极小值处光束的均匀性最好。     

Cassegrain激光发射系统的光路设计

为了提高激光探测系统激光的发射功率,在出射激光为基模的高斯光束的光路设计中,根据高斯光束经过光学系统的变换与传输特性,分析了系统采用Cassegrain望远镜时,其遮拦比以及入射光束束腰半径对光功率透过率的影响。通过具体的数值计算得出,随着遮拦比及入射光束束腰半径的增大,系统光功率透过率将减小,给出了望远镜遮拦比与发射孔径处光斑尺寸之间的最佳匹配关系,最后讨论了离焦误差（安装误差）为0.2mm时对出射光斑尺寸的影响。     

Focusing of flattened Gaussian beams by an annular lens

Focusing properties of flattened Gaussian beams (FGBs) passing through an annular lens is studied based on the Collins formula. It is found that the on-axis irradiance distributions of focused FGBs are unsymmetrical with respect to the geometrical focal plane even for large values of Fresnel number F_w associated with the beam, so that there exist focal shifts in general. Detailed numerical results show the dependence of focal shifts on the beam and system parameters. Focal shifts of FGBs by a lens without central obscuration and focal shifts of Gaussian beams by an annular lens can be treated as special cases of the obscure ratio =0 and beam order N=0, respectively. Furthermore, focal shifts of plane waves by an annular lens can also be treated as a special case of N=0 and F_w→∞.     

Changes in the intensity distribution and polarization of non-uniformly polarized beams focused by a spherically aberrated lens with annular aperture

Based on the generalized Huygens-Fresnel diffraction integral and beam coherence polarization (BCP) matrix formulation, the focusing properties of a type of non-uniformly polarized (NUP) beam through a spherical aberrated lens with annular aperture are studied. The dependence of focal shift, intensity distribution, power in the bucket (PIB) and degree of polarization on the spherical aberration coefficient, obscure ratio and polarization parameters is illustrated numerically. The focusing of NUP beams by a spherically aberrated lens with circular aperture is treated as a special case, where the inner radius of the aperture is equal to zero.     

部分相干光被环形透镜聚焦而产生的焦移

 从理论上研究部分相干光被一环形透镜聚焦,在焦点附近的轴上点的光强分布。研究结果表明,当部分相干光被一环形透镜聚焦时,最大聚焦光强不在几何焦点,而是位于透镜与几何焦点之间,出现焦移现象。并且,焦移量不仅依赖于透镜外半径的菲涅耳数,还依赖于部分相干光的空间相干度和中心拦截比。透镜的菲涅耳数越小,焦移越大;部分相干光的空间相干度越低,焦移越大。当菲涅耳数一定时,环形透镜的中心拦截比越大,焦移越大;当空间相干度很小时,情况就变得比较复杂。     

Propagation and focal shift of J0-correlated Schell-model beams

Based on the propagation law of partially coherent beams, the propagation equations of J₀-correlated Schell-model (JSM) beams through a paraxial optical ABCD system are derived and expressed in closed-form. The free-space propagation and focusing of JSM beams are regarded two special cases of our result. The focusing properties, in particular, the focal shift of JSM beams are studied, and illustrative numerical results are given. It is found that the focal shift of JSM beams, which is determined by an algebraic equation of 3rd order, increases with decreasing Fresnel number N and increasing parameter σ.     

高阶模激光束通过会聚光学系统的聚焦特性

以惠更斯 -菲涅尔原理和取样理论为基础 ,利用计算机编程计算和绘图软件 Graftool得到高阶模激光束 (如厄米 -高斯光束 TEM1 1 、TEM1 2 (或 TEM2 1 )、TEM2 2 和拉盖尔 -高斯光束 TEM1 0 、TEM1 1 )经过会聚光学系统 (以双透镜聚焦系统为例 )传播后的聚焦曲线 (r- z)。在聚焦曲线上 ,r的极小值 rmin就是激光束会聚的聚焦光斑尺寸 ,对应的 z值是束腰位置 zfocus。这样就从理论上获得了上述激光束通过会聚光学系统后的束腰位置和聚焦光斑尺寸 ,从而为研究高阶模激光束的聚焦问题提供了一种新方法     

聚焦部分相干涡旋光束的焦移

基于部分相干光的传输理论获得了部分相干涡旋光束被光阑透镜聚焦后的传输方程。基于这些方程研究了部分相干涡旋光束的焦移现象。研究结果表明,部分相干涡旋光束的焦移不仅依赖于菲涅耳数,而且依赖于光束的相干长度和涡旋光束的拓扑荷数。菲涅耳数越小,焦移量越大;部分相干涡旋光束的相干长度越小,焦移量越大;涡旋光束的拓扑荷数越大,焦移量越大。     

The focusing property of vector Bessel-Gauss beams by a high numerical aperture objective

The rich available transverse intensity structure of vector Bessel-Gauss beams make it important to probe into the focusing property by high numerical aperture objective. In this paper, we obtain the analytical expressions of azimuthally, radially and longitudinally polarized components in the focal area of the objective after tight focusing. Theoretical analysis and the numerical simulation show that, the transverse intensity distributions of the focused beams still have doughnut-like structure, two separate peak structure and circularly aligned array structure. The focused beam spots obtained by an objective with annular aperture usually have smaller spots than with circular aperture. The focused beam of the vector Bessel-Gauss beam with lowest mode number m = 0 is a radially and azimuthally polarized doughnut-like beam with no longitudinal component. These properties and results are useful in optical trapping and particle alignment.