Bessel光束经椭圆环形孔径后的衍射光场

基于菲涅耳衍射积分理论及硬边孔径的复高斯函数展开法导出了Bessel光束经椭圆环形孔径后的光场表达式, 数值模拟了其光场的强度分布. 研究了Bessel光束经椭圆环形孔径后的光场变化及其传播过程; 在实验上利用轴棱锥输出的近似无衍射Bessel光, 通过椭圆环形孔径, 使用电荷耦合器件拍摄得到不同传播距离处的光强分布. 理论结果和实验结果均表明无衍射光束经椭圆环形孔径后会产生空心光束.     

柱透镜聚焦高阶Bessel光束产生焦散光束

研究了高阶Bessel光束经过柱透镜后的光场分布特性.在广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论基础上,推导出高阶Bessel光束透过柱透镜后的衍射光场分布表达式;并利用MATLAB和MATHCAD模拟了不同传播距离处的光强分布.实验上,利用轴棱锥和螺旋相位板产生不同阶数的高阶Bessel光束,并使产生的高阶Bessel光束经过柱透镜,最后用CCD记录下不同距离处的衍射光场.研究结果表明,高阶Bessel光束经过柱透镜形成唇状的焦散光束.     

无衍射Mathieu光束经轴棱锥的聚焦特性

基于Mathieu-Hankel波理论分析了Mathieu光束经轴棱锥后的聚焦特性,并利用菲涅尔衍射积分理论及稳相法,推导出Mathieu光束经轴棱锥后的准确解析表达式.数值模拟了无衍射Mathieu光束经轴棱锥线性聚焦后的光场在不同传播距离处的截面光强分布及轴上光强分布.理论分析及数值模拟均表明无衍射Mathieu光束经轴棱锥聚焦后会产生周期性Mathieu光束.研究结果对扩展Mathieu光束的应用范围提供了理论依据.     

非傍轴高斯光束通过方环硬边光阑的传输特性研究

利用矢量Rayleigh积分公式研究了非傍轴高斯光束通过方环硬边光阑的传输,得到了衍射场分布的解析表达式.和傍轴传输相比较,该结果具有更广泛的适用性.以桶中功率为光束质量评价函数,讨论了遮拦比、截断参数对远场光束质量的影响.结果表明,环形光阑的尺寸决定着非傍轴光束远场能量分布的集中程度,截断参数和遮拦比的增大都会导致非傍轴高斯光束衍射效应增强,从而远场能量发散.     

无衍射 Mathieu光束自重建特性的理论和实验研究

首次对无衍射Mathieu光束的自重建特性进行理论和实验研究, 利用Mathieu-Hankel波理论分析了Mathieu光束的自重建机理. 基于菲涅尔衍射积分理论, 推导出了高斯吸收型圆形障碍物部分遮挡后的Mathieu光场重建后的解析表达式, 并数值模拟了无衍射Mathieu光束的经圆形障碍物部分遮挡后光场的自重建过程. 采用柱透镜-轴棱锥组合光学系统产生近似零阶无衍射Mathieu光束, 实验分别验证了轴上和轴外障碍物遮挡时近似零阶无衍射Mathieu光束的自重建特性. 理论模拟与实验结果相符.     

使用离焦望远镜系统合成轴上平顶光束的一种新方法

提出了用平顶多高斯光束作为理想光束和使用离焦望远镜系统合成轴上平顶光束的一种新方法.在近轴近似下,基于柯林斯衍射积分公式推导出轴上光场和入射光场的解析表达式,并做了物理分析.光束阶数N,平顶长度参数L,平顶中心位置z_c和纵向中心空间频率S_c对轴上光强分布的影响用数值计算例做了说明.比较表明,该方法优于文献中使用矩形函数模拟理想光束合成轴上平顶光束的方法. 关键词： 轴上平顶光束 平顶多高斯光束 离焦望远镜系统 傅里叶变换     

阵列波导光栅波分复用/解复用器光谱响应效率的理论模型

基于单模光波导的本征模场分布,瑞利－索末菲衍射积分公式和天线原理的互易定理,给出耦合器中两个非接触平面光波导耦合特性的描述.基此,根据等光程差不等振幅多光束干涉的光场叠加原理,推导出新颖的阵列波导光栅波分复用/解复用器的光谱响应效率的解析函数表达式,这些表达式可为快速精确分析阵列波导光栅波分复用/解复用器的特性提供理论基础.同时,介绍了一个计算阵列波导光栅波分复用/解复用器特性的例子,给出其光谱响应度和信号通道串扰.     

像散对轴棱锥衍射特性的影响与修正

光束斜入射到轴棱锥上引起的像散将导致其衍射光场发生畸变,由衍射理论出发推导了受像散影响的轴棱锥衍射光场表达式. 通过模拟不同像散的衍射光斑图和同一像散影响下随轴向距离变化的光强分布图,分析了轴外像散对轴棱锥衍射特性的影响. 提出修正像散的方法并通过实验验证利用可调精密旋转轴棱锥修正轴外像散导致的光束畸变,理论分析和实验结果相符合,研究结果使轴棱锥的应用更加广泛. 关键词： 像散 贝塞尔光 轴棱锥 光束畸变     

双偏心椭圆高斯光束在一阶ABCD光学系统中的传输特性

通过求解时谐条件下的亥姆霍兹方程,得到一个特解双偏心椭圆高斯光束,该光束由两个偏心椭圆高斯光束叠加而形成的,可用于描述大功率激光二极管远场分布双峰特性.分析了该光束的光场模型,运用惠更斯-菲涅尔广义积分公式,得到了该光束在一阶ABCD光学系统中的传输场分布和解析表达式,在此理论基础上,数值计算得到光场分布和远场发散角,并运用该光束模型模拟了新型激光二极管光场分布,理论结果与实际结果吻合.     

非傍轴高斯光束传输方程解的探讨

由洛伦兹规范下光场满足的矢势和标势方程出发, 探讨了初始光场具有任意对称性的一般非傍轴光束在空间的传输情况。利用角频谱并结合傅里叶变换处理得到了非傍轴光束的传输方程。利用扰动方法并结合新近似取法得到了非傍轴横向光场的扰动形式解, 该解对于近场弱非傍轴情况下的效果比强非傍轴条件下要好。给出了光束非傍轴传输高阶(八阶)修正解。对于零阶情况, 非傍轴光束退化为傍轴光束, 传输方程也相应退化为傍轴传输的模型方程。高斯解为扰动参量的零阶修正解。     

Propagation properties of vectorial elliptical Gaussian beams beyond the paraxial approximation

Starting from the vectorial Rayleigh diffraction integral formula and without using the far-field approximation, a solution of the wave equation beyond the paraxial approximation is found, which represents vectorial non-paraxial elliptical Gaussian beams in free space. The far-field expressions for non-paraxial Gaussian beams and elliptical Gaussian beams can be regarded as special cases treated in this paper. Some basic propagation properties of vectorial non-paraxial elliptical Gaussian beams, including the irradiance distribution, phase term, beam widths and divergence angles are studied. Numerical results are given and illustrated.     

一种含时贝塞尔光束的理论性质研究

本文从理论角度提出了一种"含时贝塞尔光束"的概念.在非傍轴和非时谐条件下,直接从麦克斯韦方程出发,借鉴半贝塞尔光束的处理方法,同时引入第四维虚数坐标,由此获得了完整的"含时贝塞尔光束"的解析表达式.并从无衍射性质和时空特性两个方面对其进行了探讨和研究,发现该光束具有如下性质:符合贝塞尔光束类型的无衍射特征;在时空双曲线上强度保持不变;光波时空特性的临界条件类似于相对论中的光锥."含时贝塞尔光束"的概念为无衍射自加速光束的研究开拓了新的思路和方向.     

参数可控长距无衍射光束的生成方法研究

为了消除光学器件几何参数对无衍射光束传播特性调整的限制,实现长距空间中无衍射光束传播时特性参数的可控性,首先,通过研究axicon折射阴影区的电场分布特征,发现axicon无衍射区外过临界面后的近轴区域虽处于几何折射阴影近轴区域内,但仍存在光强服从第一类零阶贝赛尔函数分布的球面波;以此为基础,提出了一种不受传播空间距离限制的无衍射光束的生成方式;最后,在近12 m的尺度范围内进行无衍射光传播特性参数测试,发现其实验参数与理论计算值的差值不超过0.1μm。该无衍射光通过对第一类零阶贝塞尔函数分布的球面衍射光斑准直生成,本质上区别于传统的干涉无衍射光束生成方式,易于生成大尺度空间无衍射光束。该无衍射光生成方式适合用于非能量使用情况下大尺度空间的直线基准、光束空间通讯等领域,具有较大的价值与意义。     

基于轴棱锥产生近似无衍射Mathieu光束的新方法

提出了一种基于轴棱锥产生零阶近似无衍射Mathieu光束的新方法,利用轴棱锥聚焦具有椭圆高斯振幅调制的平面波,得到近似零阶无衍射Mathieu光束.根据椭圆高斯平面波经轴棱锥衍射的衍射积分公式,对光强分布进行了数值模拟,依据几何光学模型计算了近似无衍射Mathieu光束的最大无衍射距离,并设计了实验对理论模拟的结果进行了验证.实验采用柱透镜和准直扩束系统变换圆高斯光束产生具有椭圆高斯振幅调制的平面波,用轴棱锥聚焦该平面波后得到近似无衍射Mathieu光束,实验结果与理论模拟和计算相符.     

无衍射光的干涉实验与理论分析

分析了两束无衍射光的干涉场分布形式和干涉条纹轨迹。将一束单色光入射两小孔产生的两束相干光照射轴锥镜,在轴锥镜后将产生两束无衍射光。根据单束倾斜光入射轴锥镜的无衍射理论,分析出这两束无衍射光产生的干涉场为每束无衍射光的无衍射场的线性叠加。利用零阶贝塞尔函数的零点公式,推导出两束无衍射光的干涉条纹的轨迹为双曲线。计算结果表明,干涉场中两中心的间距与两孔实际的间距和干涉场距轴锥镜的距离成正比。实验结果与理论仿真相一致。     

无衍射光束的产生及其应用

近年来,随着激光技术的快速发展,相继产生了多种在远距离传输后中心光斑保持不变的无衍射光束,包括贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束、马丢光束、高阶马丢光束、余弦光束、抛物线光束以及艾里光束.无衍射光束在激光打孔、激光精密准直、光学精密控制、光学微操控、光通信、等离子体导向、光子弹产生、光通信、自聚焦光束的合成以及非线性光学等领域中有着广泛的应用.本文介绍了各类无衍射光束的数学表达式、产生方法及对应的实验结果;就无衍射光束的特性和应用进行了归纳和讨论;并对其在未来的研究与应用前景中发挥的重要作用进行了简要总结与展望.     

轴棱锥对无衍射光束的线聚焦特性

基于汉克尔波理论和衍射积分理论详细分析了轴棱锥对无衍射光束的线聚焦特性, 提出了一种产生周期性局域空心光束的新方法, 即无衍射贝塞尔光束经过轴棱锥聚焦后产生具有塔尔博特效应的局域空心光束. 数值模拟了无衍射贝塞尔光束照射轴棱锥后, 沿传输距离变化的光强分布及一个周期内光强的演变和局域空心光束的形成过程. 设计实验系统, 由He-Ne激光经过一套光学系统后透过轴棱锥, 产生近似无衍射贝塞尔光束, 再由第二个轴棱锥对产生的无衍射贝塞尔光束进行线聚焦, 在第二个轴棱锥后面由显微镜观测到周期性局域空心光束, 并用CCD照相机拍摄了两个周期内的光斑图, 实验结果和理论分析相符合. 研究结果可用于多层面微粒的操控, 对周期性局域空心光束在光学微操控领域的应用具有重要的指导意义. 关键词： 贝塞尔光束 轴棱锥 线聚焦 局域空心光束     

超短脉冲贝塞尔光束的非近轴效应对传输的影响

 对超短脉冲贝塞尔光束在近轴近似和非近轴情况下自由空间中的传输作了研究。结果表明，其空间波形在传输中保持贝塞尔形状不变，不受非近轴效应影响；然而当空间参数较大时，非近轴效应影响超短脉冲贝塞尔光束的时间波形。     

Flat-topped Mathieu-Gauss beam and its transformation by paraxial optical systems

In order to avoid the severe axial intensity oscillations which appear when an ideal Mathieu beam is truncated, we propose to modulate it by a flattened multi-Gaussian envelope. The obtained beam, which is referred as flattened Mathieu-Gauss (FTMG) beam, can be expanded into a finite series of Mathieu-Gauss beams with various waists. The propagation study of this beam reveals that the axial intensity is unchanged within a certain propagation distance as for super-Gaussian-Bessel beams or Gori’s flattened Bessel beams. By using Collins formula, we derive closed-form expressions of FTMG beam propagating through a paraxial axisymmetric ABCD optical system. Some numerical calculations and discussions are also given.     

Interference patterns of two non-diffracting beams

The interference field of two non-diffracting beams is derived analytically. We arrange the experiments with an axicon illuminated by two monochromatic oblique beams. Based on the diffraction properties of an axicon in the case of oblique illumination, the intensity distribution of interference pattern was calculated, and it was demonstrated to be the superposition of zero-order Bessel functions. The locus of interference fringes is also analyzed to be hyperbola according to the zero formula of zero-order Bessel function. The experimental results are verified the numerical simulation.