AGSM光束在自由空间中的传输

用矩阵方法研究了有扭曲的各向异性高斯-尔模型（AGSM）光束通过自由空间的传输。给出了光束参数的解析传输公式和详细数值计算结果,说明AGSM光束的传输特性以及扭曲因子和空间相关长度的影响。     

径向洛伦兹阵列光束在自由空间的传输特性

推导出有初始相位分布的径向洛伦兹阵列光束在自由空间传输的解析公式,用以研究相干合成光束在自由空间的传输特性。结果表明:在远场,具有不同相位分布的光束光强剖面成为空心形状,具有相同相位分布的光束光强剖面中心为亮斑。合成光束束宽和桶中功率与子光束束腰宽度、径向阵列的初始相位分布和半径有关。对所得结果用数值计算例做了说明。当阵列半径较大和束腰宽度较小时,具有不同相位分布和相同相位的光束束宽随传输距离的变化曲线和桶中功率都趋于一致。     

径向洛伦兹阵列光束在自由空间的传输特性

推导出有初始相位分布的径向洛伦兹阵列光束在自由空间传输的解析公式,用以研究相干合成光束在自由空间的传输特性。结果表明:在远场,具有不同相位分布的光束光强剖面成为空心形状,具有相同相位分布的光束光强剖面中心为亮斑。合成光束束宽和桶中功率与子光束束腰宽度、径向阵列的初始相位分布和半径有关。对所得结果用数值计算例做了说明。当阵列半径较大和束腰宽度较小时,具有不同相位分布和相同相位的光束束宽随传输距离的变化曲线和桶中功率都趋于一致。     

非傍轴贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输

从瑞利-索末菲衍射积分出发,推导出任意阶非傍轴贝塞尔-高斯光束在自由空间传输的解析表达式.非傍轴贝塞尔光束和非傍轴高斯光束等的传输方程都可以作为本文一般结果的特例而得出.物理分析和数值计算表明,当高斯和贝塞尔部分的横向尺度与波长相比拟或小于波长时,应当用非傍轴方法处理.     

非均匀部分相干光束在自由空间中的传输

本文介绍了非均匀部分相干光束的概念, 并用数值模拟的方法详细研究了其在自由空间传输后的变化. 研究结果表明, 经过自由空间传输后非均匀部分相干光束会发生不同于传统相干模型光束的显著变化. 这种变化和光束传输距离、光源空间相干度分布、光源光强分布密切相关. 经过传输后, 源平面自相干附近点的空间相干度发生突变, 在短距离传输过程中源平面高相干区域的空间相干度会降低, 接收面各点的空间相干曲线不再相同, 随着传输距离增加, 非均匀空间相干度会逐渐趋于均匀.     

TAGSM光束在大气湍流中传输

基于广义惠更斯－菲涅耳原理,利用部分相干光复曲率张量研究了有扭曲的各向异性高斯－谢尔模型光束在湍流大气中的传输规律.根据有扭曲的各向导性高斯-谢尔模型光束在大气湍流中传播距离z处的部分相干复曲率张量给出了光束参量的表达式和详细的数值计算结果.结果表明：大气湍流减缓了光束扭曲参量随传播距离的衰减趋势,增大了主方向上的波前曲率的峰值,而且大气湍流退化了光束的相干性,使得光束扩展严重;光源扭曲参量大小和相干性也都会影响TAGSM光束在大气湍流中传输时各个光束参量的变化规律.     

高斯涡旋光束在自由空间传输中电场和磁场的偏振奇点

利用矢量菲涅尔衍射积分公式, 以高斯涡旋光束为例, 推导出傍轴高斯涡旋光束在自由空间传输过程中电场分量和磁场分量的解析表达式, 详细研究了自由空间中电场和磁场的偏振奇点变化规律. 结果表明, 高斯涡旋光束在自由空间传输中, 存在二维和三维电场和磁场的偏振奇点, 其位置一般不重合. 改变光束束腰宽度比、 振幅比以及传输距离, 偏振奇点出现移动. 在二维电场和磁场中, 当满足一定条件时, 会有V点产生.     

LD光束在自聚焦透镜中的传输特性

基于分析激光二极管光束传输特性，运用厄米-高斯光束描述其远场分布．将自聚焦透镜用于激光二极管的光束整形，用2阶传输矩阵描述自聚焦透镜．运用Collins衍射积分公式，分析了LD光束在自聚焦透镜中传输场分布的解析表达式．在此基础上，数值计算了一种LD光束在自聚焦透镜中场分布．该模型结构简单，可用于分析光束传输特性和设计光束整形系统．     

超短脉冲贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输特性

 使用复解析信号法研究了束宽与频率无关的超短脉冲贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输特性。研究表明：在无衍射长度内,超短脉冲贝塞尔-高斯光束的横向光强分布几乎不变并集中在传输轴附近,轴上脉冲随传输距离增加而展宽。在无衍射长度外,横向光强分布显著扩展。随传输距离增加,轴上光谱蓝移先增加,达到极大值后逐渐减小,最后在远场趋于一渐近值。对单周期的超短脉冲贝塞尔-高斯光束的轴上光谱蓝移先增加,达到极大值0.50 fs^-1。然后逐渐减小,在远场蓝移趋于渐近值0.16 fs^-1。     

部分空间和部分光谱相干高斯-谢尔模型脉冲光束在自由空间中的光谱和时间特性

 对部分空间和部分光谱相干２维高斯-谢尔模型脉冲光束在自由空间传输的光谱和时间特性做了详细的数值研究。结果表明,部分空间和部分光谱相干高斯-谢尔模型脉冲光束在自由空间传输中发生了光谱移动,光谱移动与场点位置、空间相关长度和时间相干长度有关。在轴上,光谱出现蓝移,相对光谱移动随传输距离的增加而增大,随空间相关长度和时间相干长度的增加而减小,并逐渐趋于一定值。在轴外,光谱出现蓝移和红移,并与空间相关长度和时间相干长度有关。脉冲时间波形不变,对所得主要结果做了物理解释。     

Phase and polarization singularities of nonparaxial Gaussian vortex beams

The analytical expression for nonparaxial Gaussian vortex beams propagating in free space is derived, which enables us to study phase and polarization singularities in nonparaxial vector wavefields. Differing from the polarization singularities formed by two transverse electric-field components in the paraxial regime, the polarization singularities can be formed by the transverse and longitudinal electric-field components of nonparaxial beams, and there exist C-points and L-lines. The variation of the beam parameters and propagation distance will result in a shift of phase and polarization singularities, but their position relation remains unchanged and the topological relationship holds true.     

高斯—斯克尔模型光束经过光学系统的传输

根据惠更斯-菲涅耳(Hugens-Fresnel)衍射积分,推导出高斯-斯克尔模型光束二阶相关函数经过光学系统的传输公式.引入与高斯光束类似的q参数.证明了高斯-斯克尔模型的q参数亦满足ABCD变换定律.     

Application of the Wigner distribution function to studying spectral changes of twisted anisotropic Gaussian Schell-Model beams

By using the Wigner distribution function (WDF), a general closed-form expression for the spectrum of twisted anisotropic Gaussian Schell-model (AGSM) beams in passage through a first-order ABCD system is derived. The spectral changes of twisted AGSM beams propagating in free space and through a thin lens, and the spectral changes of conversional Gaussian-Schell model (GSM) beams are treated as special cases of our general expression. Our theoretical and numerical results show that the WDF provides a powerful and simple tool in analyzing propagation properties of general AGSM beams. Specifically, the spectral behavior of twisted AGSM beams and conventional GSM beams can be treated in a unified and analytical way.     

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.     

高斯-谢尔模光束通过光栅的远场特性

针对现代激光系统中使用的衍射光学元件,以高斯-谢尔模光束为研究对象,分析了部分相干光通过光栅后的远场特性。利用部分相干光的标量传播公式,对不同束腰宽度、相关长度和相干长度的高斯-谢尔模光束经光栅后的传输特性进行了数值计算,得到了多种情况下光束的远场强度分布。     

部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应

以修正Rytov方法为基础,利用部分相干高斯-谢尔(GSM)光束模型并结合Andrews的唯像闪烁模型,研究部分相干光在大气湍流中的光强闪烁效应。推导出适用于不同湍流情形的部分相干光对数光强起伏方差表达式,系统分析了部分相干光在大气湍流中的光强起伏方差。结果表明:在同等的湍流环境下,部分相干光比完全相干光的光强起伏方差要小;光束相干性越差,光强起伏越小,抗湍流能力越强。在不同大气湍流情形下,光源相干性、大气折射率常数等参数对光强起伏都有不同程度的影响。     

部分相干无衍射光束经环形孔径的传输特性

理论上利用高斯谢尔模型和交叉谱密度的传播公式得到部分相干Bessel光束经过环形孔径的光强表达式.通过Mathcad软件数值模拟光强表达式,得到在不同传播距离的截面光斑图,结果表明部分相干Bessel光束在经过环形孔径后会产生空心光束.实验中以绿光LED为光源,经轴棱锥聚焦得到部分相干Bessel光束,在其无衍射距离内放置环形孔径.使用体视显微镜照相系统拍摄部分相干Bessel光束经过环形孔径的衍射光斑图,得到的结果与模拟结果吻合.