截断非傍轴标量高斯光束的传输特性

基于精确光强定义下非傍轴标量光束的二阶矩理论,计算了不同束腰及光阑孔径条件下截断非傍轴标量高斯光束的束腰半径、远场发散角以及质量因子等光束传输特性,并将截断非傍轴标量高斯光束与自由高斯光束和平面波圆孔衍射光束进行了比较.数值计算表明截断参量的不同对截断高斯光束的传输特性影响很大.当R2ω0时,截断高斯光束与高斯光束在自由空间传输特性趋于一致,因此在精确光强定义下,对于非傍轴标量光束来说,当光阑孔径大于2倍束腰时,可以不考虑光阑对高斯光束的衍射作用.当R0.3ω0时,截断高斯光束传输特性趋于平面波通过圆孔的衍射曲线.因此,在这种情况下,可以将高斯光束作为平面波处理.只有当光阑孔径介于0.3倍束腰和2倍束腰之间时,需要同时考虑光阑孔径和高斯束腰对衍射的影响.     

微小孔非傍轴衍射光束传输特性的研究

基于非傍轴标量光束横截面上光强的精确定义,对桶中功率和二阶矩定义的光束束宽、远场发散角和M2因子等进行了比较研究.以平面波的微小圆孔衍射光束为例,进行了详细的数值计算.结果表明,桶中功率定义的光束束宽、远场发散角和M2因子较二阶矩定义的小,两种定义的M2因子都随束腰趋于零而趋向于零,桶中功率定义的光束束宽的传播规律与双曲线存在一定偏差.     

微小孔非傍轴衍射光束传输特性的研究

基于非傍轴标量光束横截面上光强的精确定义,对桶中功率和二阶矩定义的光束束宽、远场发散角和M2因子等进行了比较研究.以平面波的微小圆孔衍射光束为例,进行了详细的数值计算.结果表明,桶中功率定义的光束束宽、远场发散角和M2因子较二阶矩定义的小,两种定义的M2因子都随束腰趋于零而趋向于零,桶中功率定义的光束束宽的传播规律与双曲线存在一定偏差.     

非傍轴光束的光束质量因子．I．定义

在考虑了时间平均能流密度的矢量特性的情况下，用修正后的光强公式重新给出了非傍轴标量光场光强二阶矩的表达式。在此基础上，在忽略了瞬逝波的近似下证明了：对于在自由空间稳态传输的单色标量光场来说，其横截面上的光强二阶矩随轴坐标ｚ的变化成抛物线性变化。并进一步把傍轴光束的Ｍ２因子概念拓展到了非傍轴的标量光束。此外，还对一些相关的问题进行了讨论。     

基模高斯光束束腰半径的限制

应用标量光场横截面上光强的精确定义 ,通过对自由高斯光束在垂直光束传输轴的横截面上光强分布的计算 ,指出了对基模高斯光束束腰半径的限制。     

非傍轴平顶高斯光束M2因子两种定义的比较研究

基于功率密度的二阶矩方法,推导出了非傍轴平顶高斯(FG)光束束宽和远场发散角的解析表达式·研究表明,当w0/λ→0时,远场发散角趋于渐近值θmax=63.435°,与阶数无关·使用非傍轴高斯光束代替傍轴高斯光束作为理想光束,研究了非傍轴FG光束的M2因子,并与传统定义的M2因子作了比较·在非傍轴范畴,非傍轴FG光束的M2因子不仅与阶数N有关,而且与w0/λ有关·按照定义,当w0/λ→0时,非傍轴FG光束的M2因子不等于0,对阶数N=1,2,3时,M2因子分别趋于0.913,0.882和0.886·当N→∞时,M2因子取最小值M2min=0.816·     

非傍轴平顶高斯光束M2因子两种定义的比较研究

基于功率密度的二阶矩方法，推导出了非傍轴平顶高斯(FG)光束束宽和远场发散角的解析表达式.研究表明，当w0/λ→0时，远场发散角趋于渐近值θmax=63.435°，与阶数无关.使用非傍轴高斯光束代替傍轴高斯光束作为理想光束，研究了非傍轴FG光束的M2因子，并与传统定义的M2因子作了比较.在非傍轴范畴，非傍轴FG光束的M2因子不仅与阶数N有关，而且与w0/λ有关.按照定义，当w0/λ→0时，非傍轴FG光束的M2因子不等于0，对阶数N=1, 2, 3时，M2因子分别趋于0.913,0.882和0.886.当N→∞时，M2因子取最小值M2min=0.816.     

非傍轴高斯光束传输特性的研究

基于非傍轴矢量光束横截面上光强的严格定义〈S_z〉,采用桶中功率定义光束的束宽、远场发散角以及M²因子. 以非傍轴矢量高斯光束为例,对光束的传输特性进行了详细的理论分析和数值计算,并与非傍轴标量理论的结果进行了比较分析. 研究表明,光源半宽ω₀/Λ<1时,传输特性的矢量描述与非傍轴标量描述有显著差别,随着ω₀/Λ的增大,两者趋于一致,并逐步过渡到 关键词： 非傍轴高斯光束 桶中功率 束宽 发散角     

非傍轴矢量高斯光束的传输

运用非傍轴光束传输的矢量矩理论，对非傍轴矢量高斯光束的传输特性进行了系统的研究.结果表明，基于二阶矩定义的横向光束宽度在光束传播过程中满足简单的双曲线变化规律，并且给出了光束传输因子的解析表达式.就高度非傍轴情形，进一步给出了简洁的计算公式，在高斯光源线度趋向零的极限情形下，横向的最大发散角为90°.同时，还推广到了傍轴情形，得到了与原有傍轴公式稍有区别的结果，而且光束传输因子始终保持略大于1最后，对非傍轴矢量高斯光束和非傍轴标量高斯光束的传输进行了比较，结果显示对于线度在两个波长范围之内的高斯光源发散 关键词： 矢量高斯光束 光束传输 非傍轴 二阶矩     

非傍轴截断平顶光束的质量因子

 使用功率密度的二阶矩方法和Li提出的平顶光束模型，推导出了非傍轴截断平顶光束的束腰宽度、远场发散角和光束质量因子的解析表达式。计算结果表明：非傍轴截断平顶光束的质量因子不仅与截断参数、光束阶数有关，而且与初始束腰宽度和波长之比有关；当截断参数趋近于0时，远场发散角趋于渐近值63.435°；对于光束阶数为1和截断参数趋于无穷大的特例，计算结果分别退化为非傍轴截断高斯光束和非傍轴无截断平顶光束的结果；功率密度的二阶矩方法可用于截断光束，并克服了光束质量因子的发散困难。     

几种描述光束傍轴性定义的比较研究

以平顶高斯光束为例,对光束傍轴度3种定义,即傍轴估计量、傍轴度和傍轴度修正式做了解析研究和计算分析。结果表明,当束腰宽度与波长之比很小时,三者存在显著差异,傍轴估计量会导致非物理结果。而对实际应用中感兴趣的束腰宽度与波长之比取中间值情况,傍轴度和傍轴度修正式得出类似的结果。因此,傍轴度和傍轴度修正值都可以用来描述光束的傍轴性。     

非傍轴洛伦兹光束的传输特性研究

基于光强二阶矩理论,推导出非傍轴洛伦兹光束的远场发散角、近场发散角、束腰宽度以及光束传输因子的解析表达式,并通过数值模拟,得到它们与对应束腰宽度以及波长的关系。结果表明:与非傍轴高斯光束相比,在满足二极管激光器物理机制的条件下,非傍轴洛伦兹光束更符合二极管激光束的实际情况,因此,非傍轴洛伦兹光束更适用于描述二极管激光器等光源尺寸小且发散程度较大的激光光源。     

任意线偏振高斯光束的非傍轴传输

运用非傍轴光束传输的矢量矩理论，对任意线偏振高斯光束的非傍轴传输进行了系统的研究，给出了定量计算偏振对束腰、横向远场发散角和光束传输因子贡献的解析通式. 并对高度非傍轴和傍轴两种极端情形，简化了相应的计算式. 在高斯光源线度趋向于零的极限情形下，两个横向的最大发散角均为90°，与偏振态无关. 在高度非傍轴情形下，可以通过所给出的解析通式设计高斯光源的半宽度与激射光波长之比值以及线偏振态来达到所期望的光束传输特性. 对于傍轴情形，不同偏振对束腰和横向远场发散角稍有影响，但这种影响一般可以忽略不计；而光束传输因子却始终保持不变，与偏振态无关. 若介于这两种极端情形之间，则可以根据高斯光源的半宽度之值和所期望的计算精度，确定解析式中级数的项数进而确定任意线偏振高斯光束的非傍轴传输特性. 关键词： 高斯光束 非傍轴传输 偏振 二阶矩     

高斯涡旋光束的傍轴度

按单色光束傍轴度的定义,对高斯涡旋光束的傍轴度进行了研究.使用角谱表示法推导出高斯涡旋光束傍轴度的解析公式,用此研究了傍轴度和高斯涡旋光束参数之间的关系.结果表明,随背景高斯光束束腰宽度和光涡旋离轴参数的增加及随光涡旋拓扑电荷的减少,高斯涡旋光束的傍轴度增加.对所得结果用傍轴度与远场发散角间的关系做了物理解释.     

矢量非傍轴厄米-拉盖尔-高斯光束的光束质量

基于矢量Rayleigh-Sommerfeld衍射积分，推导出矢量非傍轴圆偏振厄米-拉盖尔-高斯(HLG)光束的远场解析表达式.矢量非傍轴圆偏振高斯光束可作为一般公式的特例给出.将桶中功率(PIB)概念推广到非傍轴范畴，用以描述矢量非傍轴光束的远场光束质量，其中光强用时间平均坡印廷矢量的z分量取代.数值计算和分析表明，矢量非傍轴HLG光束的PIB不仅与束腰宽度与波长之比w₀/λ有关，而且还与α参数，模指数n和m以及所取桶的尺寸有关. 关键词： 矢量非傍轴厄米-拉盖尔-高斯光束 矢量Rayleigh-Sommerfeld衍射积分 桶中功率     

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。     

截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的远场特性

基于瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出截断非傍轴双曲余弦-高斯光束在自由空间传输的解析表示式,分析了一些特例,并引入非傍轴范畴的桶中功率概念,用以描述非傍轴光束的远场光束质量。结果表明:截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的光强和桶中功率不仅与束腰宽度与波长之比、偏心参数及截断参数有关,而且桶中功率还与桶的尺寸有关。在一定的范围内,较大的束腰宽度与波长之比, 截断参数和较小的偏心参数使光束有更好的聚焦特性,表现出更好的光束质量。     

非傍轴矢量异常空心光束的传输特性

 将Cai提出的异常空心光束的理论模型推广到非傍轴范畴,推导出非傍轴矢量异常空心光束传输的解析表达式,用以研究它在自由空间中的传输特性。研究表明,异常空心光束在传输过程中光束形状会发生变化。与高斯光束不同,非傍轴异常空心光束傍轴近似成立条件依赖于传输距离,这与异常空心光束光强分布随传输距离的变化有关。非傍轴异常空心光束远场的光束质量可用桶中功率来描述,桶中功率随f参数(波长与束腰宽度的比值)的增大而减小。     

非傍轴矢量拉盖尔-高斯光束的二阶矩表示

基于Porras提出的光传输的非傍轴矢量矩理论，推导出初始圆偏振的非傍轴矢量拉盖尔-高斯(LG)光束的特征参数，包括束宽、远场发散角和M²因子等的公式，并表示为级数求和形式.非傍轴矢量高斯光束公式作为特例给出.研究表明，基于二阶矩定义的束宽按双曲线规律传输，当w₀/λ→0(w₀为束宽，λ为波长)时，远场发散角θ趋于90°，大于非傍轴标量理论预示的值63.435°.非傍轴矢量LG光束的M²因子不仅与模指数p有关，而且还与w₀/λ有关.最后，对非傍轴矢量LG光束和非傍轴标量LG光束的传输作了比较，结果表明在w₀/λ较小时，矢量效应对远场发散角的影响十分显著.对θ→90°引起的问题和非傍轴矢量矩理论的适用范围，以及解决问题的可能途径作了分析和讨论. 关键词： 非傍轴矢量拉盖尔-高斯光束 圆偏振 非傍轴矢量矩理论 光束参数     

拉盖尔-高斯光束傍轴度的变化

以拉盖尔-高斯(L-G)光束为例,详细研究了单色光束傍轴度的变化.结果表明,模指数、相对束腰宽度等光束参数的变化,通过近轴ABCD光学系统的传输,以及光阑衍射都会引起光束傍轴度的变化.但是,在自由空间中传输时,光束的傍轴度不变.对上述结果以数值计算例加以说明,并用光束傍轴度与远场发散角间的联系做了物理解释. 关键词： 傍轴度 远场发散角 拉盖尔-高斯光束