部分相干电磁光束的焦移

 基于有效菲涅耳数的概念,给出一种简单的表达式来评估部分相干电磁光束经圆形光阑透镜后所产生的相对焦移,对部分相干电磁光束经透镜聚焦的情况进行了研究。结果表明:当交叉谱密度函数的非对角元素为零时,有效菲涅耳数不仅依赖于真实的菲涅耳数大小,而且依赖于光束的偏振分布和入射部分相干电磁光束两个偏振分量的空间相干长度;相对焦移量仅由等效菲涅耳数决定。将此方法与数值积分法进行的比较表明,等效菲涅耳数可以简单、准确地评估焦移。     

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。     

部分相干涡旋光束在大气湍流中的远场传输特性

运用广义惠更斯-菲涅耳原理,详细研究了部分相干涡旋光束在湍流介质中的远场传输规律.研究表明,部分相干涡旋光束的光谱相干度及光强分布与光束的拓扑电荷数、空间相对相干长度及湍流介质的折射率结构常数等因素有关.在湍流介质中,光谱相干度存在相位奇点,并且随着空间相对相干长度的增大,相干涡旋逐渐演化为强度涡旋,而湍流介质的强弱对部分相干涡旋光束的影响则相反,随着湍流介质的折射率常数的增大,强度涡旋逐渐演化为相干涡旋.     

大气湍流中部分相干聚焦涡旋光束的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了部分相干高斯-谢尔模型涡旋光束被聚焦后在大气湍流中的传输特性,得到了焦平面上光强解析表达式.利用该表达式,详细研究了该类光束在大气湍流中传输焦平面上的光强分布特性.结果表明：在大气湍流中,随着传输距离的增加,涡旋光束的奇异性逐渐降低.对于拓扑荷大的以及空间相干长度较长的涡旋光束,光束奇异性的保持相对要好.在一定的焦距长度和湍流大气条件下,我们可以通过调整光源的拓扑荷和相干长度控制焦面光强分布和焦斑大小.另外,有一定拓扑荷的涡旋光束可以在一定程度上降低大气湍流对传输光束焦面光强分布的影响.     

部分相干圆刃型位错光束在生物组织中的动态演化

以广义惠更斯-菲涅耳原理为基础,利用推导的部分相干圆刃型位错光束在小鼠真皮组织传输中的交叉谱密度函数解析表达式,研究了光束初始参量(光束波长λ和圆刃型位错数目n)和传输距离z对光束归一化光强分布、相位演化和传输轨迹的影响。结果表明,位错数为n的部分相干圆刃型位错光束,源平面内中心光强最大,两侧对称分布着2n个次峰。随传输距离增加,光强分布由多峰状逐渐演化为单峰状,波长越长,n值越小,光强分布演化越快。位错数目越多,光束稳定性越好。源平面内n个圆刃型位错最内侧的环半径随位错数目增加而减小。受到生物组织湍流诱导和衍射效应的综合作用,自传输开始,圆刃型位错分裂为n对拓扑荷分别为"+1"和"-1"的相干涡旋。随传输距离增加,又新生n对拓扑荷为"+1"和"-1"的相干涡旋。波长越长,n值越大,光束相位演化越快,相干涡旋的位置分布由分散趋于集中,最终全部湮灭。相干涡旋对间距越小,湮灭越早。波长越长,位错数目越多,起始相干涡旋对越早开始湮灭,全部湮灭的传输距离越长;波长越短,位错数目越多,新生相干涡旋对越早开始湮灭,全部湮灭经历的传输距离越长。     

部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中的光强分布

根据广义惠更斯-菲涅耳原理以及交叉谱密度函数,利用Kolmogorov湍流谱推导得到部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中传输时光束的光强分布表达式,讨论了离轴距离、拓扑荷数、束腰宽度、相干长度、传输距离、湍流强度参数对光强分布的影响。仿真结果表明,拓扑荷数的大小不会改变暗核的位置;离轴距离的正负号决定了暗核移动的方向和光强集中区域的方向;暗核向上移动的距离随相干长度、束腰宽度的增大而减小,随传输距离、湍流强度的增大而增大;光斑展宽随相干长度、束腰宽度、传输距离、湍流强度的增大而增大。     

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.     

部分相干涡旋光束在湍流大气中的传输特性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,推导了部分相干涡旋光束在湍流介质中传输时光强分布情况的理论公式,详细研究了部分相干涡旋光束在湍流介质中的传输变化规律。研究结果表明,湍流介质的强弱,光源的相干性以及光束所带拓扑电荷数大小均会影响光束传输特性。     

部分相干幂指数相位涡旋光束的传输特性研究

本文针对部分相干幂指数相位涡旋光束的传输特性开展研究,首先建立了部分相干幂指数相位涡旋光束的传输理论模型;然后,仿真研究了部分相干幂指数相位涡旋光束在自由空间和ABCD光学系统中的传输特性,研究结果表明部分相干幂指数相位涡旋光束在自由空间传输时,拓扑荷数、幂指数和相干长度都对光强的分布有着一定的影响,而随着传播距离的增大光斑的面积逐渐增大;当光束在聚焦系统中传输时,只有拓扑荷数和幂指数的变化会影响光强的分布,而相干长度对光束整体强度的分布没有太大的影响,只影响了光斑的质量.本文研究成果揭示了部分相干幂指数相位涡旋光束的传输特性,为其在光学捕获等领域的应用打下了理论基础,对促进新型光场调控理论及应用研究具有重要的意义.     

衍射效应诱导涡旋光束的偏振度变化

基于惠更斯-菲涅耳衍射原理以及部分相干光的相干与偏振的统一理论,研究了衍射效应诱导部分相干涡旋光束的偏振度变化.通过理论分析与数值计算表明,部分相干涡旋光束经圆孔衍射后偏振度将发生变化,在衍射场中光束的偏振度分布情况与入射光束的相干度、入射光束的拓扑电荷数、衍射孔径的大小等因素有关.     

Focal shift of the partially coherent vortex beams focused by an aperture lens

Based on the propagation law of partially coherent beams, the propagation equations of the partially coherent vortex beams focused by an aperture lens are derived. Based on these equations, the focal shift of partially coherent vortex beams is studied, and illustrative numerical results are given. It is found that the focal shift of the partially coherent vortex is dependent not only on the Fresnel number but also on the relative coherent length and the topological charge of the vortex.     

Intensity and spatial correlation properties of tightly focused partially coherent radially polarized vortex beams

By expanding the Debye theory into the tight focusing of partially coherent field, the intensity and spatial correlation properties of partially coherent radially polarized vortex beams are studied. Expressions are derived for the intensity distribution and the spectral degree of coherence in the focal region. It is found that the intensity and the transverse and longitudinal coherence degrees in the focal region change with the variation of the topological charge and coherence length of the vortex beam. In addition, the degree of coherence is shown to exhibit phase singularities.     

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.     

部分相干涡旋光束传输中的光斑分析

在近轴光束近似条件下,采用交叉谱密度传输公式推导了 部分相干涡旋光束传输一段距离后观测平面上交叉谱密度矩阵元的解析表达式, 在此基础上对观测平面上的光强分布进行了分析.研究表明, 和完全相干涡旋光束不同,部分相干涡旋光束传输后光斑中心点的光强会逐渐凸现出来, 随着传输距离的增加,观测平面上的光强会逐渐演变为类似高斯型分布的特性. 这种演变规律与源平面上光源的拓扑电荷数和相干长度有关, 在其他参数不变的情况下,拓扑电荷数越小,相干长度越短, 演变为高斯型光斑的速度越快.最后针对一阶部分相干高斯涡旋光束, 通过观测平面上光强极值研究,对光斑随传输距离演变的过程进行了详细的分析, 在理论上对这种演变规律给出了严格的证明.     

Axial intensity distribution and focal shifts of focused partially coherent conical Bessel–Gauss beams

Based on the generalized Huygens–Fresnel diffraction integral and the theory of partially coherent light, the axial intensity distribution and the focal shifts of focused partially coherent conical Bessel–Gauss beams are investigated. The dependence of the maximum on-axis intensity and the associated focal shift on the Fresnel number and the coherence parameter are examined and illustrated numerically. The results related to the J ₀-correlated beams and the fully coherent Bessel–Gauss beams are obtained as particular cases of this study.     

随机电磁涡旋光束的深聚焦特性

基于德拜矢量积分理论,研究了随机电磁涡旋光束经过大数值孔径透镜之后的聚焦特性及透镜的数值孔径、入射光束的偏振度、拓扑荷以及横向相干长度对焦平面附近聚焦光束的光强分布和相干度的影响.结果表明:适当地选择相关参量,可在焦平面上得到椭圆形光斑的光强分布以及平顶光强分布.随机电磁涡旋光束在焦平面上同一点处两个相互垂直分量之间的相干度,不同两点处两个相同分量之间的相干度以及不同两点处两个相互垂直分量之间的相干度研究表明,入射光束的拓扑荷和横向相干长度对聚焦光束的相干性有着十分明显的影响.