一种新颖的用于光腔模式及光束传输模拟的特征向量法

根据有限元法单元划分的思想，提出了一种新颖的模拟光腔模式及光束传输的特征向量法. 该方法的关键之处在于基于衍射积分理论构造了一种新的光束传输矩阵，通过求解特征矩阵方程可一次性得到谐振腔的一系列特征向量，每一列特征向量即代表了腔镜上光场的一个确定模式的振幅及相位分布. 并可采用该方法模拟光场传输到腔内或腔外任意地方的场分布. 该方法将传统方法中大量的迭代过程转化成为本征积分方程特征向量的求解过程，并与初值取值无关，且可一次性求得多个模式分布，从而可方便地分析谐振腔的模式鉴别能力. 特征向量法对圆形镜共焦 关键词： 谐振腔 特征向量法 模式分布     

利用特征向量法分析有源失调腔的2维模场

 利用一种用于光腔模式及光束传输模拟计算的特征向量法计算有源腔的2维失调,通过对谐振腔几何关系的求解,以及对增益进行薄层模型处理,最后利用特征向量法计算有源腔失调后的模式分布,发现失调造成了模式强度分布不均匀,并带来模式阶数的改变。计算了相应的光束质量因子,结果表明:在一定失调范围内,失调可能会带入新的模式竞争;谐振腔在一定范围的失调情况下,各阶模式的光束质量可能变好,也有可能变差,随着模式阶数的增加光束质量整体趋势是越来越差;原来简并的模式可能不再简并。该方法可以为计算失调后谐振腔的模场带来方便。     

有源腔模式的有限元数值矩阵计算法

提出了一种计算有源腔模式分布的有限元数值矩阵方法。对腔镜进行基于菲涅耳–基尔霍夫衍射积分定理的有限元划分,利用MATLAB计算出光一次往返的传输矩阵。然后根据自再现理论,求出矩阵的特征值和特征向量。从而确定谐振腔的模式分布,给新型谐振腔的研究带来极大方便。     

孔径光阑输出对太赫兹激光器模式特性的影响

孔径光阑耦合技术是大功率光泵气体太赫兹激光器的一种常用谐振腔设计方法。在不考虑波导对腔内模式形成的影响下,采用传输矩阵的特征向量法,针对孔径光阑耦合太赫兹谐振腔的腔内本征模式以及输出光束特性进行了数值模拟,得到了该种谐振腔在不同g参数下损耗最低的几种本征模式及其相应的衍射损耗;采用衍射积分与矩阵光学结合的方法计算了孔径光阑输出太赫兹激光的光束特性,得到不同本征模式的远场衍射光斑及发散角。研究工作为孔径光阑耦合的气体太赫兹激光器设计提供了理论参考。     

双偏心椭圆高斯光束在一阶ABCD光学系统中的传输特性

通过求解时谐条件下的亥姆霍兹方程,得到一个特解双偏心椭圆高斯光束,该光束由两个偏心椭圆高斯光束叠加而形成的,可用于描述大功率激光二极管远场分布双峰特性.分析了该光束的光场模型,运用惠更斯-菲涅尔广义积分公式,得到了该光束在一阶ABCD光学系统中的传输场分布和解析表达式,在此理论基础上,数值计算得到光场分布和远场发散角,并运用该光束模型模拟了新型激光二极管光场分布,理论结果与实际结果吻合.     

交叉柱面镜腔的研究

使用矩阵理论,对两个交叉成任意角度的柱面镜构成的谐振腔作了深入的理论研究.分析了这类光腔的稳定性、模式分布和腔内光束传输特性,并以数值计算例说明.对我们使用交叉柱面镜腔的钕玻璃板条激光器有关的实验结果作了报道和讨论.     

聚合物脊形光波导的变分有效折射率法分析

聚合物脊形光波导是聚合物集成光电子器件的重要构成单元.利用有效折射率法计算聚合物脊形光波导的横向折射率分布及有效折射率,将各区域中的光场分布近似用分段函数表达.基于导模满足的标量波动方程,利用变分法确定变分参量,以求得准确的横向光场分布.对聚合物脊形多模光波导基模和高阶模的色散特性与横向场分布进行分析,研究了波导结构参数对色散特性的影响,计算出TM基模和高阶模的光场分布,得出了聚合物脊形光波导的单模传输条件.研究表明,该方法计算量小、精度高,对聚合物光电子器件中脊形光波导的理论分析与设计优化提供了简单高效的方法.     

带高斯镜的热透镜谐振腔的光腔特性及动力学稳定性

建立了带高斯镜的热透镜谐振腔的光学矩阵，分析了谐振腔的稳定性条件及腔内高斯光束的传输特征，通过研究光腔特征参数随热透镜变化的动力学特征，探讨了此类谐振腔的动力学稳定性。     

带圆锥透镜的非稳贝塞尔光学谐振腔

研究了由圆锥透镜和凸面镜组成的非稳贝塞尔光学谐振腔. 利用几何光学原理,讨论了非稳贝塞尔谐振腔中光线传输的ABCD矩阵和腔内光线实现自再现的条件.从波动光学角度出发,利用惠更斯-菲涅尔衍射积分方程导出了谐振腔两镜面处光场的迭代方程,并通过数值模拟得到了凸面镜曲率半径不同时零阶贝塞尔光束在输出镜面上的光强分布.     

基于格林函数法的奇型Mathieu-Gaussian光束

根据光束传播的独立性和叠加性原理,引入了一组能够产生第一类(2n+2阶)奇型Mathieu-Gaussian光束的虚光源点.利用虚源点技术和格林函数法,计算得到第一类奇型Mathieu-Gaussian光束的严格解析积分表达式.利用该表达式得到了轴上光场分布的积分解析解.以三阶非旁轴修正为例,得到了第一类奇型Mathieu-Gaussian光束保留到三阶非旁轴修正项的轴上光场分布精确解.     

Simulation of optical field in laser resonators cavity by eigenvector method

In this paper, an Eigenvector method (EM) for the calculation of optical resonator modes and beam propagation is introduced, in which the transit matrix of an optical resonator is obtained by dividing the mirror into finite grids based on the Fresnel–Kirchoff diffractive integral equation. Then, the eigenvectors, representing the multimode characteristics of the resonator, can be calculated by solving the integral matrix eigenequation. The merits of EM include that the considerably simpler procedure of solution of eigenvectors of the matrix eigenequation replaces the complicated iteration in traditional methods, and there is no dependence on the initial field distribution, and a number of modes can be derived once and the discrimination capability of the resonator can be evaluated easily. The examples using EM to simulate con-focal resonators with small or large Fresnel numbers are given, and the calculated results, well matched with Fox–Li method or Lagueree–Gaussian approximation analytical solution, prove that EM is highly feasible and reasonable.     

Analysis of a right-angle conical reflector resonator by the transfer matrix method

A resonator with a right-angle conical reflector has been proposed to produce high-power CO₂ laser beams. To analyze eigenfields of the right-angle conical reflector resonator, this paper adopts and demonstrates the transfer matrix method. In this paper, the mode-fields and corresponding losses are described as eigenvectors and eigenvalues of a transfer matrix according to the self-reproducing principle of laser field. By solving the transfer matrix for eigenvectors and eigenvalues, we obtain field distributions and losses of the dominant eigenmodes. The calculation results reveal that the right-angle conical reflector resonator could be used for a high-power CO₂ laser to achieve low-order modes. However, the beam quality is reduced due to the residual blind-hole, which is in accord with the experimental result.     

Explicit relations for the radial distribution functions for one-dimensional lattice (arbitrary spacing) fluids and solutions

It is pointed out that the size of the matrix required to formulate the grand partition function for a one-dimensional lattice fluid for a fixed and finite range of the interatomic potential varies linearly with the density of lattice points used and hence is much smaller and more manageable than the expected size (which varies exponentially with the same quantity) and thus allows very fine grids to be examined. Using the matrix treatment of the grand partition function, it is shown that the radial distribution function for a one-dimensional fluid or solution can be formulated as an explicit matrix product which is simply performed by computer. The resulting distribution functions (which can be extrapolated to the continuum by varying the lattice spacing) are useful as starting solutions for the iterative solution of integral equations for three-dimensional fluids.     

圆形高斯镜平凹腔腔镜变形时激光模场分析

把圆形高斯镜平凹腔自再现模的衍射积分方程转化为有限阶的矩阵方程,在平面输出镜呈高斯分布的镜面变形时,数值计算了激光场模式的场强、相位分布和模式本征值。结果表明,当变形量较小时,随着变形量的增加,镜面上光场的分布范围增大,也就说明模体积增大,但镜面光场仍保持拉盖尔-高斯光束基模特征,相位由平面慢慢变得凸起,远场分布变化不明显。当变形量较大时,光场分布开始发生畸变。从模式本征值的变化看,在一定的变形范围内,本征值下降不多,说明较小的变形量对激光损耗影响不大,仍能使激光较稳定输出。在圆形高斯镜平凹腔输出镜发生不大的高斯状变形的情况下,仍有维持输出高质量激光束的能力。     

圆镜共焦腔激光横模的传输矩阵法模拟和分析

共焦腔是一般稳定腔的特例,由于等价性,共焦腔中自再现模的振幅分布、损耗和光斑尺寸常常被用于讨论一般稳定腔。为了分析具有大菲涅尔数的圆镜共焦腔,本文利用传输矩阵方法对腔模进行计算和讨论。研究结果表明:传输矩阵方法的结果与Fox-Li积分迭代法的结果一致,并且传输矩阵方法实用于大菲涅尔数共焦腔。     

325 MHz低β半波长谐振腔设计

对质子加速器中半波长谐振腔（HWR）型的设计进行了研究,完成一种新型HWR超导腔的初步设计。通过对超导腔设计方法及设计原则的研究,结合相关半波长谐振腔的研究现状,充分利用电磁设计软件的功能,对325 MHz低大孔径的半波长谐振腔进行了设计研究。在建模中,针对腔体的不同部位进行比较分析,优化模型形状;在计算中,采用新型有限元网格,使计算快速而结果稳定;在后处理中,使用参数扫描,实现了腔形参数优化;在腔形分析中,计算了二次电子倍增效应,验证了腔体形状的可行性。通过此设计过程,使所设计的新型为0.12的HWR腔具有较好的电磁参数,满足质子加速器的要求,并可应用到实际工程中。     

同轴放电环形增益区谐振腔镜面的场分布

 对几类环形增益区谐振腔进行了比较，得出利用谐振腔两镜之一的全工作面输出的新型环形增益区谐振腔是适合的谐振腔。提出了一种计算全工作面输出的同轴放电环形增益区谐振腔镜面场分布的方法，利用几何方法对腔镜镜面进行划分,得出了基于菲涅尔-基尔霍夫衍射积分定理的积分区域，并对该区域进行了有限元划分，应用计算机编程计算出了同轴放电环形增益区谐振腔镜面处的光场分布和相位分布。近场分布在环形区中央部分近似地呈高斯分布，且沿径向出现高阶模场分布特点，沿角向无差别。     

90°束转动环形非稳腔模场数值分析

用矩阵方法导出了ＵＲ９０（ｕｎｓｔａｂｌｅｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒｗｉｔｈ９００１６７ｂｅａｍｒｏｔａｔｉｏｎ）环形非稳腔的衍射积分方程，获得了腔的等价菲涅耳数Ｎｅｑ的关系公式，分析了反向模的抑制方法并给出反向模抑制镜的曲率半径，通过数值计算的方法阐明了腔模本征值与放大因子Ｍ的变化关系，当腔的放大因子Ｍ＝１．２时，得到了腔的模场分布曲线。