高斯光束经环形光栅的衍射特性分析

基于傅里叶-贝塞尔变换计算高斯光束垂直入射环形光栅时的衍射远场分布,分析了其衍射远场光强分布的一般规律,并与平面波入射时的情况进行了比较.计算结果表明:当光栅半径为1.5倍高斯光束束腰半径时,随着光栅环数的增加,中央亮斑半值全宽先减小后增大、中央亮斑所包含的功率占总功率的比值减小、中央主极大光强值减小,三者的变化趋势与平面波入射时的趋势一致;中央亮斑半径、次极大光强值变化趋势与平面波入射时的变化趋势不同.当环数小于5时,高斯光束经过环形光栅的衍射场光强变化无规律;当环数大于10后两种情况下衍射场光强变化都不明显;当环数趋于无穷时中央亮斑半径、中央亮斑半值全宽、次极大光强值趋于圆孔衍射(环数等于1)时的值,中央亮斑所包含的功率占总功率的比值约等于圆孔衍射时的1/2,中央主极大光强值约等于圆孔衍射时的1/4.     

光纤激光器频谱组束的理论研究

 建立了由光纤激光器阵列、薄透镜和衍射光栅组成的频谱叠加理论模型，基于高斯光束的变换和衍射理论，推导出远场光强分布的关系式，探讨了系统参量的优化设计并进行了数值模拟。结果表明：当中心波长激光器的-1级干涉主极大与槽面衍射主极大重合、零级干涉主极大刚好落在槽面衍射的+1级零值极小上、其它波长激光器的-1级干涉主极大与中心波长激光器的槽面衍射主极大重合时，输出光束的衍射效率较高；当光栅平面法线与薄透镜光轴的夹角为衍射光栅槽形角的一半时，输出光束的半角宽度较小。     

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.     

数值法研究光的圆孔衍射实验现象

在平行平面波近似的情况下,数值法求解菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,得到平行平面光波通过圆孔衍射后的光强分布图.通过对纵向及横向光强分布图的数值分析,验证了轴上点光强由菲涅耳数决定,菲涅耳数大于1时为菲涅耳衍射区,菲涅耳数小于1时为夫琅禾费衍射区.在近场,光强分布为明暗相间的环形条纹;在远场,光束演化成束腰位置在圆孔处的高斯光束,仿真结果与理论和实验结果基本一致.本仿真结果将光衍射的抽象理论直观化、可视化.     

高斯光束圆孔衍射光强分布的解析解

本文从菲涅尔-基尔霍夫衍射公式出发,结合贝塞耳函数等特殊函数的性质,计算了正入射高斯光束圆孔衍射的光强分布,并以洛默尔函数的形式表示了焦点附近的光强分布.之后选取了几何焦平面、光轴以及几何阴影区域边界这三个特殊区域,理论结合数值方法给出了光强分布的解析表达式以及数值结果,并发现高斯光束束腰半径越小,艾里斑半径越大,同时焦深也越大.最后计算了焦平面上的光强积分强度,结果表明束腰半径越小,光强就越向中心集中.同时高斯光束相较于平面波的衍射,不会改变光强分布的整体轮廓,但会使得光强向焦点处集中.     

高斯光束菲涅耳圆孔衍射轴上的光强分布

本文从惠更斯－菲涅耳原理的数学表达式出发，在菲涅耳圆孔衍射的情况下求出了高斯光束入射时轴上光强分布的解析表达式，并对比平面波和球面波入射的情况进行了分折讨论．     

高斯光束通过非线性折射和吸收介质的光强分布

以衍射理论为基础,推导并模拟了高斯光束通过非线性折射和吸收效应介质后的远场光强分布。结果表明:入射高斯光束引起的介质折射率变化和光束波前曲率影响介质出射面光束的径向调制相位,安装在焦点前的有自聚焦效应的介质和安装在焦点后的有自散焦效应的介质具有闪耀光栅的能力,使远场出现中心为暗斑外侧为亮环的衍射图样。非线性折射效应为主的介质,其非线性吸收效应的变化同时改变远场衍射图样的数目和光强值,但对于非线性吸收效应为主的介质,衍射图样的数目随吸收效应的变化不明显,吸收效应只影响光强值。     

激光热自散焦的远场环形结构

本文导出高斯光束通过吸收介质时因热效应引起光线偏转的角度公式,据此对热自散焦效应的远场环形光强分布给出了直观的详尽的解释,指出干涉环状结构起因于从光束横截面的两环线上发出的同倾角光线间的相互干涉.分析了在不同入射光功率和不同束腰位置下的光强分布特性.给出产生环形结构的阈值功率和环数公式.并指出除了存在干涉型的粗环结构之外,还存在着一种起因于衍射效应的细环结构.全部理论分析与实验结果一致.     

环状光纤单模条件和远场能量分布特性

基于弱波导近似,通过数值计算得出了环状光纤保持单模状态时对芯-包层折射率差值和导光层厚度的要求,同时讨论了这些设计参数对远场能量分布的影响。计算结果表明:当环状光纤工作在单模状态时,从光纤出射的环形光束衍射至远场时形成一个中央亮斑,具有很高的能量集中度。此外,减小芯-包层折射率差值与导光层厚度有利于进一步减小远场衍射的光斑宽度。     

圆形高斯镜平凹腔腔内外激光场研究

运用边界元素法把圆形高斯镜平凹腔的自再现模的衍射积分方程转化为有限阶矩阵方程。计算了圆形高斯镜取不同反射率膜斑半径和中心振幅反射率情况下基模的场强分布、相位分布和本征值。研究表明:腔内光场分布半径随反射率膜斑半径的减小而增大,中心振幅反射率不影响光场分布半径;反射率膜斑半径影响远场分布,当其数值较小时,在光束的远场分布主峰周围产生弱衍射环;当高斯镜中心全反射时,远场分布随反射率膜斑半径的变化无明显变化;模式本征值随反射率膜斑半径的增大而增大。     

Axial distribution of Gaussian beam limited by a hard-edged aperture

In this letter, the axial distribution of Gaussian beam limited by a hard-edged aperture is studied. We theoretically analyze the axial diffraction of Gaussian beam limited by a hard-edged aperture, and give the simpler formulas of the axial diffraction intensities of Gaussian beam in Fresnel diffraction field and Fraunhofer diffraction field. The corresponding numerical calculation of axial diffraction intensity distribution of Gaussian beam with different wave waist is provided and the evolution of the diffraction distribution with the wave waist of Gaussian beam is explained. As the especial cases of the truncated Gaussian beam,the Gaussian beam in free space and the parallel light limited by the aperture are discussed too, and the system parameters of the truncated Gaussian beam which can cause it to equal to these cases are given.The theoretical results conform to the numerical analysis.     

平面波经小圆孔衍射的轴上光强特性

基于精确的衍射场公式和横截面上光强的精确表述，分析讨论了单色平面光波经小圆孔衍射后，其衍射光束轴上光强的最大值以及轴上光强极值的数目和小圆孔半径的关系；并且由此考察了一般的菲涅耳数计算公式的使用条件。     

Collimation testing using a circular Dammann grating

A novel technique for collimation testing with a circular Dammann grating is proposed. When the beam under test is incident on a one-order circular Dammann grating with limited aperture, double-humped radial rings will be generated at the back focal plane of a focusing lens. If the beam is collimated, the separation between the two rings will reach its minimal, otherwise the two rings will be apart from each other. Therefore, the degree of collimation of the tested beam can be estimated from the separation. The principle and experimental results of the method are presented. Owing to the simplicity and low cost of the method, it is a promising method for quickly checking the collimation of a laser beam.     

拉盖尔高斯涡旋光束的传输

针对拉盖尔高斯涡旋光束,推导了其传输后目标平面上光电场的解析表达式,理论研究表明,传输一段距离后, 对于拉盖尔高斯光束的光斑大小的描述,高斯光斑尺寸已经不再适用.如果采用光强最亮处的半径来表示目标平面上的光斑大小则比较方便. 除了传输中的衍射导致光束展宽以外, 横截面上光束的相位分布也发生了独特的变化. 等相位线由原来的射线转化为弧线,拓扑电荷数为正时,弧线朝顺时针方向弯曲,拓扑电荷数为负时,弧线朝逆时针方向弯曲. 关键词： 涡旋光束 传输 光斑尺寸 相位分布     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

椭圆高斯光束产生近似无衍射Bessel-Gauss光

研究了轴棱锥聚焦像散椭圆高斯光束的光场分布特性,根据菲涅耳衍射积分理论导出了椭圆高斯光束经轴棱锥衍射后的光场分布,通过数值积分给出椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的近轴光场强度分布情况,将其与圆高斯光束产生的近似Bessel-Gauss场进行比较,发现椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的光束在一定的传播距离内也具有无衍射特性,且轴上光强分布与圆高斯光束产生的Bessel-Gauss光束的轴上光强分布具有相似的形式,而这种无衍射光场的强度在垂直于光轴的平面上不再是柱对称分布。根据近轴球面波产生近似Bessel光束的最大无衍射距离公式计算了椭圆Bessel-Gauss光束在子午面和弧矢面上的最大无衍射距离,整个光束的无衍射距离由入射到轴棱锥上的椭圆光斑短轴方向的尺寸决定。     

Magnetic properties of epitaxial-grown exchange-coupled FePt/FeRh bilayer films

The propagation of a laser beam through a micro-lens array (MLA) was simulated using Finite Time Difference Domain (FDTD) method. The intensity distribution at different output planes away from the micro-lens array surface was investigated. As compared to the focal plane, the intensity distribution observed at those out-of-focus planes varies, which is attributed to the interference and diffraction of output laser beams. The simulated results were counter checked by placing a physical MLA under an illumination of a 488 nm continuous wave Argon Ion laser and images were captured for different output planes. Both simulation and experimental results show a great similarity in terms of the distribution patterns. By changing the lens sag height with respect to the lens diameter, the full width at half maximum (FWHM) of the focused laser spot and its corresponding maximum energy flux were analyzed. A FWHM of 160 nm can be achieved by proper selection of lens sag height. It is also found that the energy flux is proportional to numerical aperture (NA).     

Displacements and deformations of a vortex light beam produced by the diffraction grating with embedded phase singularity

Properties of vortex light beams produced by a diffraction grating with groove bifurcation (“fork” structure) are studied in the case of small diffraction angles. Analytical expressions are derived for the amplitude distribution of a diffracted beam generated from an incident Gaussian beam with arbitrary radius and wavefront curvature, transversely shifted and inclined with respect to the nominal axis (normal to the grating crossing it at the bifurcation point). In such situations, the output beam becomes asymmetric; the optical vortex core and the intensity maximum displace orthogonally to the incident beam shift direction. The nearest vicinity of the vortex core preserves its circular symmetry and the optical vortex remains locally isotropic. The effects of misalignment depend on the incident beam characteristics, the diffraction order and the propagation distance behind the grating. Experimental measurements support the results of calculations.     

高数值孔径下高斯光束超分辨技术

利用矢量衍射理论,研究了高数值孔径下高斯光束的超分辨特性,对可以实现超分辨的二环和三环相位结构进行了优化求解,分析了环带半径和相位变化对超分辨性能的影响规律,给出了优化方法和优化结果.研究结果表明:当和平面波照明具有相同的旁瓣比时,使用高斯光束照明仍然可以实现光学超分辨;采用二环相位结构时,内环半径的控制比较关键,相位的微小改变对超分辨性能的影响不大,二环相位结构具有加工容差大的优点;三环相位结构在相同旁瓣比的情况下能够达到较大的压缩比和较小的主瓣峰值强度,三环结构的半径和相位的改变对超分辨性能的影响较大,其加工容差要小于二环相位结构;无论二环或三环相位结构,若提高压缩比,必然会引起主瓣峰值强度降低和旁瓣比增大.该研究为高数值孔径下,高斯光束照明时,超分辨光瞳滤波器的优化设计提供了一种新方法.     

Sharper focal spot below λ/4 of azimuthally polarized illumination phase-encoded by the binary 0/π phase plate

The intensity distribution in the focal region for the azimuthally polarized beam phase-encoded by the binary 0/π phase plate is calculated on the basis of the vector diffraction theory. With the annular pupil aperture employed, the resolution of the focal spot will be improved remarkably. We demonstrate a sharper focal spot with full width at half maximum (FWHM) of 0.223λ (below λ/4), significantly smaller that of linear, circular and radial polarization beam under the same condition. The focusing phenomena for illumination beam with various polarization status and beam shapes are analyzed explicitly. This analysis could have potential applications in confocal microscopy and two-photo microscopy for polarization difference imaging.