径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的模拟研究

基于交叉谱密度函数以及相干偏振统一理论,导出径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性.通过理论分析和数值计算可知,径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,光束以固定的螺旋半径进行螺旋传输.且在传输过程中,光束逐渐由螺旋空心光束演变为螺旋高斯光束,这一过程所需的传输距离与相干长度有关.该光束的偏振角和偏振度都会受到螺旋半径和传输距离的影响,同时,相干长度的变化也会影响偏振度的分布.而相干长度,传输距离和螺旋半径的改变并不会影响光束的偏振椭圆率的分布.     

高斯型非均匀部分相干光的大气湍流传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和交叉谱密度函数,对高斯型非均匀关联的部分相干光束在大气湍流中的传输特性进行了研究.结果表明,部分相干光的相干度的变化和源平面的高斯调制半宽、传输距离等有着密切关系.在传输过程中,初始平面相干度分布存在突变,在传输过程中消失;光束中两点的相干度随着传输距离的增加先增大后减小,并且相干度的分布由非均匀分布变成均匀分布.这种非均匀关联的部分相干光束在激光通信领域具有广阔的应用前景.     

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.     

湍流大气传输高斯谢尔光束的到达角起伏

研究了在弱大气湍流起伏环境下以窄带宽高斯谢尔光束为激光光源的大气通信问题,分析了大气湍流强度和光源空间相干度对通信光束到达角起伏的影响.采用窄带宽光场的交叉谱密度函数代替光场互相干函数的近似方法和采用包含大气湍流内外尺度的简化折射率谱密度函数,得出了湍流大气中传输高斯谢尔光束的波结构函数(WSF) 和到达角起伏方差解析近似关系.分析表明,光源的空间相干度和传输光束的湍流扩展是影响高斯谢尔光束的相位起伏结构函数和传输光束到达角起伏的重要因素.     

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。     

新型部分相干光束的产生及其相干特性

利用相干理论,研究了新型部分相干光束的相干特性.用激光光束透过旋转的特殊毛玻璃,产生一种相干性分布特殊的新型部分相干光束.实验上经双孔干涉,记录了该光束经不同小孔间距双孔产生的干涉条纹,计算得出所对应的相干度,并获得了该光束在不同传输距离下的相干度分布情况,发现该光束的相干度分布与高斯-谢尔模型光束的相干度分布不相同,其相干度随着传输距离的增大而变强.     

径向偏振螺旋贝塞尔光束的传输特性及其自重建

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射理论,导出径向偏振螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性和传输过程中光束偏振态的变化,及其通过扇形障碍物后的自重建特性.理论分析和数值计算发现:径向偏振螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,在一定传输区域内,光束以空心光束的形态绕光轴做离轴螺旋传输,光束的发散角为零并一直保持着径向偏振的特性;在光束的自重建过程中,始终保持离轴螺旋传输特性,随着传输距离的增加,原本在遮挡区域消失的能量,被逐渐衍射至障碍物遮挡区域的相反位置.     

径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中的传输

具有中心对称相干度分布的非均匀部分相干光,即径向部分相干光束(RPCB),可以有效降低大气湍流引起的光束闪烁,改善接收质量。应用波动光学仿真方法,比较研究了相干高斯光束、高斯谢尔模光束和具有凸型高斯型、超高斯型相干度分布的径向部分相干光束在各向异性的非Kolmogorov湍流中的传输特性,从远场光强分布和孔径平均闪烁指数等方面分析了湍流的各向异性参数和非Kolmogorov功率谱指数对远场光束质量的影响。仿真结果显示,光束的接收质量随功率谱指数的增大而持续劣化;同时,各向异性湍流会导致远场光斑呈椭圆形分布,因而在接收端使用等面积的椭圆接收孔径替代圆形孔径,可以显著降低接收机的孔径平均闪烁指数。总体而言,径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中,特别是在接收孔径较小的情况下,具有优于完全相干光和高斯谢尔模光束的传输性质。     

具有余弦-洛伦兹关联结构函数部分相干高斯光束的聚焦性质

引入一类新的部分相干光束,其谱相干度或关联结构函数具有余弦-洛伦兹的非传统相关函数形式(即非高斯函数形式),这类部分相干光束满足Gori确定的充分条件,是物理上可实现的光束。基于广义惠更斯-菲涅耳衍射的Collins积分公式,获得了余弦-洛伦兹关联结构函数部分相干高斯光束通过近轴ABCD光学系统传输时其交叉谱密度函数的一般解析表达式,并探讨了光束经过薄透镜聚焦时光强分布的演化特性。结果表明:该类光束在合适的参数条件下能呈现自分裂和自整形等奇异传输特性,且这些传输特性与关联结构函数的性质密切相关;这类光束的自分裂和束斑形状变化是由关联结构函数中的不同因子产生的。因此,调控这类部分相干光束的关联结构函数分布可以有效调制其相干长度和非均匀性,从而可操控光束传输行为。该研究结果为实现4个正方形光束提供了可能方案,在工程技术领域具有重要的应用前景。     

部分相干Airy光束在大气湍流中的光强演化

为了利用Airy光束的无衍射、自恢复和自弯曲特性抑制大气湍流效应,实现远距离无线光通信,对部分相Airy光束在大气湍流中传输时的光强演化进行了研究.利用高斯-谢尔模型的交叉谱密度函数、广义惠更斯-菲涅尔原理以及Rytov相位近似法,推导了部分相干Airy在湍流大气中平均光强的表达式.分别从传播距离、湍流强度等方面对光强分布的影响进行了模拟仿真,并对光束自身参数对光强分布的影响进行了相关实验验证.结果表明:随着传播距离的增加,部分相干Airy光束的旁瓣逐渐衰减,主瓣逐渐扩散;在传播足够远时,其旁瓣逐渐消失,主瓣逐渐演化为高斯分布.仿真和实验结果一致表明光束的截断因子越小、特征长度和相干长度越长,光束的光强分布保持越完整.     

光束偏移对轨道角动量信息传输系统的影响

研究了拉盖尔-高斯光束轨道角动量信息传输系统在未对准时轨道角动量谱的变化.采用数学推导和数值仿真的方法,得到在任意传播距离处,接收系统轴与光轴分别出现横向偏移、角向倾斜,以及两者同时存在时光束的表达式,并分析和比较了几种情况下螺旋谱的变化特征.研究表明,两种偏移量的增加会增加螺旋谱的弥散,而弥散现象与两者偏移方向无关.在传输起点,横向偏移和角向倾斜均会引起螺旋谱的对称弥散.然而,随着传输距离的增加,横向偏移时螺旋谱的弥散程度逐渐减小,而角向倾斜时螺旋谱弥散程度逐渐增加.角向倾斜时螺旋谱始终保持对称分布,而横向偏移引起的弥散螺旋谱呈非对称分布,且经过一定距离后得到稳定的螺旋谱分布.当两者同时存在时,光束螺旋谱的弥散程度随着距离的增加逐渐增加到一个最大值,之后平缓地下降.并进一步得出了横向偏移与角向倾斜对弥散度的影响是不独立的. 关键词： 拉盖尔-高斯光束 螺旋谱 横向偏移 角向倾斜     

部分相干Airy光束及其传输的研究

利用高斯-谢尔模型的交叉谱密度公式和惠更斯衍射积分, 得到了部分相干Airy光束的表达式. 对不同相干度的部分相干Airy光束的无衍射和横向加速偏移的性质进行了理论分析并予以实验验证, 结果一致表明部分相干Airy光束也具有无衍射和横向加速度的特性, 而且相干度越低, 部分相干Airy光束的无衍射距离越短, 横向加速度越小. 关键词： 傅里叶光学 全息 部分相干 艾里光束     

聚焦部分相干涡旋光束的传输和相干特性

根据部分相干光的传输理论,研究了部分相干高斯-贝塞尔涡旋光束通过光阑透镜聚焦后的传输和空间相关性质.数值计算结果表明,涡旋暗核的大小和焦平面上的光谱相干度都取决于入射光的拓扑电荷n、截断参量δ、相对相干长度σg和参量α.当选择适当的参量,在几何焦点附近会出现局域空心光束.研究还发现在焦面上光谱相干度会产生一个或多个的相位奇点(相干涡旋),而且拓扑电荷和相对相干长度会对相干涡旋的位置和个数产生影响.在相干极限下,相干涡旋可逐渐演变为光学涡旋.     

具有余弦-高斯关联结构函数部分相干贝塞尔-高斯光束的传输性质及四暗空心光束的产生

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,获得了余弦-高斯关联结构函数部分相干贝塞尔-高斯光束交叉谱密度函数通过近轴ABCD光学系统传输时的解析表达式.并因此探讨了该类光束经过自由空间传输时光强分布的演化特性.结果表明,余弦-高斯关联部分相干贝塞尔-高斯光束在合适的参数条件下能呈现自分裂等奇异传输特性.特别地,这种自分裂可实现暗空心光束的复制,即从一个暗空心光束获得四个相似的暗空心光束.并且发现这些传输特性和关联结构函数结构密切相关,因此调控关联结构函数分布以实现调制光的相干长度和空间分布性质从而可实现操控光束传输行为.由于暗空心光束在工程技术领域的重要应用价值,本文的研究结果提供了实现四暗空心光束的可能方案,从而在激光通信、微粒操控等方面具有重要的应用前景.     

部分相干双曲余弦-高斯光束的传输特性和空间整形

 通过加入高斯项的空间相干度，引入部分相干双曲余弦-高斯（ChG）光束，推导出部分相干ChG光束通过近轴ABCD光学系统传输的解析表达式，并用以研究其传输特性和空间整形。结果表明，部分相干ChG光束的光强分布不能保持传输不变性，其光强分布不仅与传输距离和离心参数有关，而且还与空间相干参数有关。在传输距离固定时，适当改变部分相干ChG 光束的离心参数和空间相干参数，可实现光束的空间整形。光束质量因子随空间相干性的增大和离心参数的减小而减小。高斯-谢尔模型光束和完全相干ChG光束可作为部分相干ChG光束的特例处理。     

斜程大气中聚焦J0相关部分相干光束的传输特性

采用部分相干光交叉谱密度理论,给出了适用于任意大气湍流条件的斜程湍流大气传输J0相关部分相干光束在接收面内的长期平均光强分布、光束长期扩展和质量因子的解析表达式,分析了天顶角、传输距离、光源相干性以及湍流外尺度对接收面光强分布特性和光束扩展的影响.研究结果表明:在天顶角和传输距离一定的条件下,通过选择合适的光源相干性可控制焦面光强为平顶分布或中心光强为最大;在传输距离给定的条件下,随着天顶角或大气湍流外尺度的增加,焦斑光强分布均由中央凹陷分布逐渐变为高斯分布.焦面附近光强的中央凹陷比焦面的中央凹陷浅.J0相关部分相干光束实际焦斑位置随天顶角、湍流外尺度的增加以及相干性减弱而移向发射端.     

非均匀关联径向偏振部分相干光的产生

从理论和实验两方面对非均匀关联径向偏振部分相干光的产生进行了研究.理论上,基于相位关联与相干度的联系,推导出了非均匀关联径向偏振部分相干光的2×2阶交叉谱密度矩阵及相干度分布.实验上,利用一个相位型液晶空间光调制器的不同区域,对入射的完全相干的径向偏振光的两个正交偏振分量分别加载随机相位调制,并实验测量了这种光束的相干度分布及其对光强分布的影响.实验结果验证了光束相干度的非均匀关联结构,并且通过改变随机相位的高斯调制半宽可以改变光束的相干性分布.研究表明,随着随机相位的高斯调制半宽的增加,光束中两点间的相干度逐渐减小,其光强分布由圆环状逐渐变化为类平顶的光强分布.这种非均匀关联的径向偏振部分相干光在激光微操纵和材料加工等领域具有一定的潜在应用价值.     

拉盖尔-高斯光束的部分相干特性对克尔效应的影响

拉盖尔-高斯光束由于其特有的涡旋特性使其在大气传输过程中具有更好的稳定性。实际激光输出存在的部分相干性将对光束传输具有明显的影响,在大功率输出模式下,克尔效应的产生也会影响到光束传输的特性。本文从部分相干拉盖尔-高斯光束的交叉谱密度方程出发,推导了克尔效应作用下光束的传输表达式,利用分步傅里叶变换,对高功率部分相干涡旋传输中的克尔效应过程进行了模拟,并对比了不同参数影响下,光束相干性不同时克尔效应的差异。结果表明,克尔效应有助于维持光强的环状结构,提高拓扑荷数能够有效地缓解因相干度降低而造成的涡旋结构衰退的现象。     

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。     

部分相干艾里光在大气湍流中的光束扩展与漂移

基于Andrews和Philips的经典漂移方差模型,结合部分相干艾里光的交叉谱密度函数和Tatarskii功率谱,推导出部分相干艾里光在大气中传输时的光束扩展和漂移解析式,对比分析了不同的衰减因子、湍流强度和相干度等参数对部分相干艾里光的光束扩展和漂移的影响,并与高斯光束所得结果进行了比较.研究表明:衰减因子、湍流强度和相干度等对光束漂移影响较大,当它们的取值增大时,漂移越严重;内尺度对光束漂移几乎没有影响;在相同的条件下,艾里光束的光束漂移要比高斯光束小两个数量级,且其本身具有自恢复特性和较强的抑制湍流特性.