广义双曲正弦-高斯光束的Gyrator变换性质和暗空心光束产生

基于Gyrator变换,推导了广义双曲正弦-高斯光束场分布的解析表达式,研究了广义双曲正弦-高斯光束在Gyrator变换平面上的光强分布和相位特性.结果表明,在Gyrator变换过程中,具有边缘位错相位特性的双曲正弦-高斯光束能转换为具有涡旋的暗空心光束,并确定产生的暗空心光束的拓扑荷指数为一,而不具有边缘位错相位特性的双曲余弦-高斯光束则不可能出现空心结构.对影响变换场强度和相位分布的束结构参数及系统参数进行了分析讨论.     

像散正弦-高斯光束的分数傅里叶变换与椭圆空心光束产生

基于分数傅里叶变换(FrFT)关系,推导了像散正弦-高斯光束场分布的解析表达式,利用所得结果和数值方法研究了像散正弦-高斯光束在FrFT平面上的光强分布与位相特性.理论和数值分析结果都表明:像散的存在使得正弦-高斯光束在FrFT过程中从初始输入具有边缘位错的多斑花样转换为具有涡旋的暗空心椭圆花样,且其拓扑荷指数为一,而在这种转换中像散起着关键控制作用.此外,适当选择光束参数与FrFT系统结构参数,暗空心椭圆花样的长轴可以是短轴的百余倍,因此利用这一方案可获得相当细长的暗空心椭圆光束.     

异常空心光束通过像散透镜后的相位奇异特性

光场的相位奇异特性是奇点光学研究的重要内容。运用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导得到异常空心光束通过像散透镜后的光场分布表达式和相位奇点分布表达式,并研究了其在几何焦平面的相位奇异特性。结果表明,异常空心光束通过像散透镜后,在几何焦平面上存在相位奇点,且相位奇点受到透镜的像散系数和光束束腰宽度等参数控制。在一定条件下,几何焦平面上会出现椭圆或圆刃型位错线、光涡旋。当像散系数或束腰宽度改变时,椭圆或圆刃型位错线发生变化,光涡旋也会发生移动、湮灭和产生。     

离轴高斯涡旋光束的深聚焦特性

基于德拜矢量衍射积分理论,对离轴高斯涡旋光束经过大数值孔径透镜后聚焦场的特性进行了研究,获得了离轴高斯涡旋光束深聚焦后复振幅分布函数,在此基础上对离轴高斯涡旋光束深聚焦场的光强和相位分别进行了分析.数值模拟结果表明:离轴距离的改变对高斯涡旋光束在焦平面上的光强分布和相位分布会产生影响,离轴距离的增加会加剧聚焦场光强在y轴方向上分布的差异,而离轴距离的符号决定了光强集中区域的方向.另一方面,与一阶离轴涡旋光束不同,高阶离轴涡旋光束经过深聚焦后会发生暗核分裂现象,出现多个相位奇点,奇点个数等于原始光束对应的拓扑荷数,且分裂后的奇点具有明显的对称性.研究表明,这种暗核分裂现象由大数值孔径透镜深聚焦引起.     

初级球差对椭圆偏振涡旋光束深聚焦场的影响

研究了椭圆偏振涡旋光束经过具有初级球差的高数值孔径透镜的聚焦特性。基于德拜矢量积分理论,获得了椭圆偏振涡旋贝塞尔-高斯光束经过具有初级球差的高数值孔径透镜后的复振幅的分布函数,根据数值模拟的结果,分析了不同的初级球差系数对右旋椭圆偏振光束和左旋椭圆偏振光束聚焦场光强分布和相位分布的影响。结果表明,随着初级球差系数的增加,椭圆偏振涡旋光束的强度会变小,空心的尺寸会变大;右旋椭圆偏振光纵向分量的相位分布呈现螺旋结构,而且右旋椭圆偏振光和左旋椭圆偏振光的位错线半径会逐渐增大;会聚点逐渐偏离焦平面,纵向光场发生改变。     

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.     

用环围功率法研究双曲正弦高斯光束的焦移

 从Collins公式出发研究了无光阑双曲正弦高斯光束的聚焦特性。研究发现聚焦双曲正弦高斯光束的轴上光强为零，因此Li和Wolf二人研究焦移的方法不再适用。使用环围功率法定义束宽和实际焦面，由此可以决定聚焦双曲正弦高斯光束的焦移。数值计算表明，聚焦双曲正弦高斯光束的焦移与偏心参数和菲涅耳数有关，焦移随偏心参数和菲涅耳数的减小而增大。此外，还分析了双曲正弦高斯光束的最佳聚焦问题。     

余弦-高斯光束的焦平面及其位置

在余弦_高斯光束通过薄透镜聚焦系统的光场分布函数的基础上,利用二阶矩定义导出了聚焦余弦_高斯光束的光斑函数的解析表达式,由此求得束腰宽度及位置,进而给出了余弦_高斯光束的相对焦移的解析表达式。分析了光学系统参数以及光束参数对实际焦平面位置的影响并作了数值计算。     

高次方涡旋光束经大数值孔径透镜的聚焦特性

为了获得多种类型的波长量级聚焦光斑,研究了一种新型涡旋光束,高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦。基于矢量德拜积分公式,理论上研究了线偏振的高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦特性。研究了涡旋光束的拓扑荷数和幂次方数对聚焦平面光强和电场x分量的相位分布的影响。研究结果表明,通过控制涡旋光束的拓扑荷数和幂次方数可以产生不同类型的聚焦光强分布,例如尺寸约为2个波长大小的实心和空心型聚焦光斑。此外,与普通的涡旋光束聚焦不同,高次方涡旋光束聚焦后的奇点并不在焦点处。这些特殊的聚焦光斑有望在微粒的操控等领域中得到应用。     

像散透镜对高斯光束的变换特性

 基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分,并考虑了像散的影响,对高斯光束通过像散透镜后的传输特性作了解析研究,以光束传输因子和桶中功率为参数分析了像散高斯光束的光束质量,并以数值计算例加以说明。     

环状光束通过像散透镜的变换特性

 基于Tovar提出的平顶多高斯光束模型,给出了环状光束模型。利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分理论,对环状光束通过像散透镜后的传输和聚焦特性进行计算和分析,并讨论了透镜像散对环状光束经透镜变换后对光束质量的影响。研究结果表明:环状光束通过像散透镜后变为非旋转对称光束;聚焦光强随着透镜像散系数的增大而逐渐减弱,聚焦光斑的方位仅由像散系数确定;在光束阶数和入射光波波长一定的情况下,环状光束通过像散透镜的变换特性和光束质量不仅与透镜像散系数有关,还与系统菲涅耳数有关,像散系数增大或菲涅耳数减小时,光束质量变差。     

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.     

正弦高斯涡旋光束的远场传输特性

根据角谱法和稳相法,推导了正弦高斯涡旋光束TE波和TM波在远场传输和能流密度的解析表达式,研究了正弦高斯涡旋光束在远场中的相位奇点和能流密度分布.结果表明:正弦高斯涡旋光束的远场特性与高斯光束的束腰宽度、涡旋离轴量、坐标位置以及与正弦项相关的参量有关.在一定条件下,远场中会出现相位奇点和能流密度黑核;当控制参量改变时,相位奇点和黑核的位置会发生移动,但原点处不受影响.相位奇点和能流密度的对称性主要受涡旋离轴量影响,当涡旋离轴量为0时,相位奇点和能流密度分布关于原点对称;当涡旋离轴量改变时,相位奇点和能流密度分布呈现出非对称性.     

部分相干圆偏振贝塞耳-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦

研究了部分相干圆偏振贝塞耳一高斯光束经高数值孑L径透镜的聚焦特性.基于德拜矢量积分理论,分别推导出了部分相十圆偏振涡旋光束经过高数值孔径透镜聚焦以后的光强和偏振度表达式.根据数值模拟的结果,比较了左旋和右旋圆偏振涡旋光束的不同深聚焦特性以及相关参量对涡旋光束深聚焦特性的影响.研究表明,入射光束的相关参数和聚焦透镜的数值孔径大小都会影响光束的聚焦特性.此外,还得出一个重要结论,部分相于圆偏振涡旋光束经高数值孔径透镜聚焦以后.光束本身带有的白旋角动晕会转化成轨道角动量,这一研究成果对于利用涡旋光束进行微粒操控等方面应用具有十分重要的意义.     

高斯光束经相位连续变化型波带片的衍射特性

 根据瑞利-索末菲标量衍射理论分析了相位连续变化型波带片对高斯光束的衍射特性。在高斯光束入射下,对相位连续变化型波带片光轴和焦平面上的太赫兹强度分布特性进行了模拟,分析了入射光束的束腰半径和束腰位置对衍射场的影响,并与平面波入射的情况进行了对比。数值结果显示,相位连续变化型波带片可以实现对高斯分布太赫兹波的聚焦。相位连续变化型波带片的衍射规律与薄透镜的聚焦规律相似。通过合理调整束腰与波带片之间的距离可以保证衍射效率在85%以上。与平面波相比,高斯光束入射下的焦点处中心场强较小,但衍射效率较高。     

部分相干余弦-高斯光束

引入部分相干余弦-高斯光束,推导出部分相干余弦-高斯光束通过近轴ABCD光学系统的传输公式和M2因子,研究了部分相干余弦-高斯光束通过像散透镜的传输特性.结果表明,部分相干余弦-高斯光束的M2因子与部分相干余弦-高斯光束的空间相干参量和离心参量有关,但与透镜的像散系数无关.适当选取空间相干参量,离心参量或像散系数,在几何焦面处可得到类高斯、平顶和空心等不同的光强剖面,实现部分相干余弦-高斯光束的空间整形.     

四瓣高斯光束的Gyrator变换性质和矩形空心光束的产生

基于Gyrator变换,推导了四瓣高斯光束场分布的解析表达式,研究了四瓣高斯光束通过Gyrator变换后的光强分布和相位分布.结果表明:在Gyrator变换过程中,四瓣高斯光束能够转换为具有光涡旋的矩形空心光束,在获得矩形空心光束时其四顶角处光束强度最强,而四条边上的光束强度分布几乎是均匀的.对影响矩形空心光束强度和相位分布的光束参数和变换角进行了详细的分析,发现光束阶数不同,产生不同类型的空心光束;Gyrator变换的变换角则影响空心光束能量分布;空心光束亮环的大小由四瓣高斯光束的束腰宽度决定,束腰宽度越大,矩形空心光束的宽度越小.     

大气湍流像差散焦和像散与高斯涡旋光束焦面光强

分别研究了构成大气湍流波像差中的散焦和像散两个低阶像差对高斯涡旋激光束传输和成像的影响.采用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论和大气湍流波相位结构函数的平方近似研究了聚焦高斯涡旋光束在大气湍流中散焦和像散影响下焦面光强的分布特性.导出了斜程传输条件下接收面上平均光强分布的积分表达式,并采用数值模拟方法研究湍流强度、传输距离和拓扑电荷对焦面光强的调制规律.结果表明:在弱湍流起伏区域,散焦和像散两类像差对高斯涡旋光束的光强分布影响都很小,可以忽略;在中等湍流区域,随着光束传输距离和湍流强度的增加,两类像差都导致高斯涡旋光束的光强峰值降低、束径扩展、中心暗斑扩大.当单拓扑电荷高斯涡旋光束传输时,在同等传输条件下,像散导致的光强峰值降低比散焦更严重,主亮斑区域外的次级亮环强度更大,光斑和中心暗斑扩展更明显.与单拓扑电荷光束相比较,散焦和像散导致双拓扑电荷光束的扩展更加明显,中心光斑更大,亮环区域外的次级亮环更明显;但是,由于光的相干性的降低和光束的偏折效应,像散导致光束中心的暗斑变为次级亮斑.     

部分相干余弦-高斯光束

引入部分相干余弦-高斯光束,推导出部分相干余弦-高斯光束通过近轴ABCD光学系统的传输公式和M2因子,研究了部分相干余弦-高斯光束通过像散透镜的传输特性.结果表明,部分相干余弦-高斯光束的M2因子与部分相干余弦-高斯光束的空间相干参量和离心参量有关,但与透镜的像散系数无关.适当选取空间相干参量,离心参量或像散系数,在几何焦面处可得到类高斯、平顶和空心等不同的光强剖面,实现部分相干余弦-高斯光束的空间整形.     

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...