空间关联结构调控非傍轴部分相干光束的远场传输特性

基于部分相干光束的角谱表述和稳相法,研究了非传统空间关联结构对非傍轴部分相干光束的远场光强和发散角特性的影响,推导了非傍轴贝塞尔-高斯谢尔模(BGSM)光束经圆形光阑衍射后在远场的光强和发散角的解析表达式,利用该表达式数值计算了非傍轴BGSM光束的远场光强和发散角特性。结果表明,非傍轴BGSM光束与非傍轴高斯-谢尔模光束的远场光强及发散角特性不同,并且与光束在光源平面的空间关联结构、束腰半径、相干长度以及光阑半径密切相关。因此,调控光束的空间关联结构可以调控非傍轴部分相干光束的远场传输特性。     

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。     

非均匀拉盖尔-高斯关联光束及其传输特性

提出了一种新型特殊关联部分相干光束即非均匀拉盖尔-高斯关联光束,其在x和y方向上的关联结构函数分别为非均匀关联和拉盖尔-高斯关联函数.基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导了这种光束交叉谱密度函数在自由空间以及大气湍流中的传输式,并计算了该光束经过自由空间和湍流大气传输的光强分布和关联结构函数分布演化特性.研究发现,该光束光强分布在传输过程中展现出自聚焦、自偏移和自分裂等奇异特性,同时发现控制关联结构函数参数可以有效地降低湍流大气的影响.关联结构调控为操控光束传输行为提供了一种新颖而有效的手段,在大气激光通信、微粒操控等领域具有重要的应用前景.     

"光场调控及应用"专辑导读

实现对光场在时域和空域的多维度联合调控对于集成化、智能化和小型化光学系统的发展具有重要意义,在信息、生命、化学和材料等领域具有广泛的应用前景.光场调控研究一般可分为空域、时域以及时空域联合调控三个方面:空域调控主要研究光场的振幅、偏振态、相位、空间相干结构等空间分布的调控机制与方法,以实现具有特殊空间分布的新型光场;时...     

前言

正光场调控、传输及应用是当前国际光学与光子学领域的一个研究热点。光场调控一般可分为空域、时域以及时空域联合调控。空域调控主要是指调控光场振幅、偏振态、相位、空间相干结构等空间分布,以产生具有特殊空间分布的新型光场;时域调控主要是指调控激光脉冲形状、脉宽、啁啾以及相干特性,以产生极短极强激光。目前,光场调控研究主要涉及光场调控原理和技术、调控光场传输机理和特性、新型光     

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.     

部分相干涡旋光束研究进展

涡旋光束具有螺旋波前、携带相位奇点和轨道角动量等物理特性,在粒子操控、量子信息、超分辨成像、光通信等领域具有重要的应用,并已成为学术界的研究热点。得益于相干光学理论的快速发展,将相干性作为新的自由度引入涡旋光束中,提出新型涡旋光束即部分相干涡旋光束。相较于完全相干涡旋光束,部分相干涡旋光束具有独特的物理内涵和光学特性,尤其是对其相干性和拓扑荷的联合调控会引发一系列奇特的新物理效应(如相干奇点、光束整形、偏振态转换、自修复等)。回顾了部分相干涡旋光束的基本理论及发展历程,着重对部分相干涡旋光束的理论模型、传输特性、实验产生、实验测量和应用基础研究进行了阐述。     

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.     

部分相干的高斯谢尔模物质波的轨道角动量

部分相干物质波是处于临界温度以上的玻色冷原子气体。密度和一阶关联都满足高斯分布的部分相干物质波是高斯谢尔模(Gauss-Schell model)物质波。本文通过研究高斯谢尔模物质波一阶关联函数的相位结构,揭示出物质波在部分相干情况下的轨道角动量特点。证明扭曲相位是部分相干物质波具有的独特性质,完全相干物质波(如,玻色爱因斯坦凝聚体)不具有此相位。此外,本文举例分析了高斯谢尔模物质波在一个"柱透镜"光脉冲作用下,其轨道角动量的变化情况。     

第三代同步辐射光源X射线相干性测量研究

随着高性能第三代同步辐射光源的建成开放,基于X射线相干特性的实验方法得到了快速发展和广泛应用.作为一个典型的例子,X射线相位衬度成像已经成为常规的X射线实验方法并向用户开放.相干散射、相干衍射成像、光子关联谱等X射线实验方法正日益受到重视,在高空间分辨、时间分辨等研究领域已显示出其独特的优越性.因此,研究和测量第三代同步辐射的空间相干特性对进一步发展这些新的实验方法具有重要意义.基于Talbot自成像原理成功测量了上海光源X射线成像线站发射的X射线的空间相干长度,并进而测得了相应光源的空间尺度.光子能量为33.2 keV时,测得的X射线光束垂直方向空间相干长度为8.84μm,对应的光源尺寸为23μm,测量结果与理论分析相符.     

特殊关联结构光束的大气传输研究进展

近年来,光场调控逐渐成为光学领域的热点研究课题,光场相干性调控可以引发许多新颖物理效应。其中,通过相干性调控得到的特殊关联结构光束不仅展现出奇特的传输特性,而且可以有效地降低大气湍流引起的光强退化、光束漂移、光强闪烁和退偏振等负面效应。因此,特殊关联结构光束在自由空间光通信领域具有重要的应用前景。本文回顾了特殊关联结构光束的构建基础理论和大气传输研究方法及其发展历程,举例展示近些年典型特殊关联结构光束的大气传输研究成果。     

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.     

保证眼晴安全的激光发射器

这是一台把高强度空间相干激光束转换成空间非相干辐射光源的装置。它可使空间相干激光光束的时间相干性、频率特性以及偏振保持不变。激光是定向的,所以输出的相干光束投射在光学透镜上,使相干光束在用氢氟酸腐蚀过的毛玻璃片上成象,构成空间扩散体。从扩散器散射出的辐射光转换成空间非相干辐射光,但仍保留一些相干光束的重要特征,即偏振和瞬时相干性。扩散器将一束非相干辐射的发散光束输入到准直仪,以提供准直输出光束,可作为一种“眼睛安全”的方法用于激光通讯、激光测距和其他激光领域的装置。     

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.     

冷原子介质中基于相干诱导高反射带和高透射带的全光路由控制

以相干诱导光子带隙结构为工作基础,提出了一种可对两个弱光信号的传播路径同时进行动态调控的新型全光路由控制方案。利用描述光波在空间周期介质中相干散射的传输矩阵理论,结合描述单频激光与多能级原子共振相互作用的密度矩阵方程,计算了作为控制媒介的相干驱动超冷原子系综的稳态反射光谱和稳态透射光谱。结果表明,通过改变两个较强相干激光的空间模式、强度和频率等参数,可在探测跃迁共振频率附近建立反射率约为95%或者透射率约为95%的两个特殊频带。对这样的相干诱导高反射带和高透射带进行了实时动态调控,可根据需要引导两个不同频率的弱光信号进入指定的网络通道。该方案很好地满足了在量子信息处理领域对弱光信号进行全光路由控制时的低损耗和低形变要求。     

冷原子介质中基于相干诱导高反射带和高透射带的全光路由控制

以相干诱导光子带隙结构为工作基础,提出了一种可对两个弱光信号的传播路径同时进行动态调控的新型全光路由控制方案。利用描述光波在空间周期介质中相干散射的传输矩阵理论,结合描述单频激光与多能级原子共振相互作用的密度矩阵方程,计算了作为控制媒介的相干驱动超冷原子系综的稳态反射光谱和稳态透射光谱。结果表明,通过改变两个较强相干激光的空间模式、强度和频率等参数,可在探测跃迁共振频率附近建立反射率约为95%或者透射率约为95%的两个特殊频带。对这样的相干诱导高反射带和高透射带进行了实时动态调控,可根据需要引导两个不同频率的弱光信号进入指定的网络通道。该方案很好地满足了在量子信息处理领域对弱光信号进行全光路由控制时的低损耗和低形变要求。     

部分相干涡旋光束在大气湍流中的远场传输特性

运用广义惠更斯-菲涅耳原理,详细研究了部分相干涡旋光束在湍流介质中的远场传输规律.研究表明,部分相干涡旋光束的光谱相干度及光强分布与光束的拓扑电荷数、空间相对相干长度及湍流介质的折射率结构常数等因素有关.在湍流介质中,光谱相干度存在相位奇点,并且随着空间相对相干长度的增大,相干涡旋逐渐演化为强度涡旋,而湍流介质的强弱对部分相干涡旋光束的影响则相反,随着湍流介质的折射率常数的增大,强度涡旋逐渐演化为相干涡旋.     

单原子量子调控研究取得重要进展

激光冷却的中性原子具有长的态相干时间,是量子计算、量子仿真、量子信息处理等研究领域的众多候选体系之一,对单个中性原子的操控是当前量子调控研究方面的难点和热点。武汉光电国家实验室的原子芯片团队,在单原子量子调控研究方面取得重要进展。该团队利用空间光调制器实现了独特的单原子全息光阱阵列,     

部分相干幂指数相位涡旋光束的传输特性研究

本文针对部分相干幂指数相位涡旋光束的传输特性开展研究,首先建立了部分相干幂指数相位涡旋光束的传输理论模型;然后,仿真研究了部分相干幂指数相位涡旋光束在自由空间和ABCD光学系统中的传输特性,研究结果表明部分相干幂指数相位涡旋光束在自由空间传输时,拓扑荷数、幂指数和相干长度都对光强的分布有着一定的影响,而随着传播距离的增大光斑的面积逐渐增大;当光束在聚焦系统中传输时,只有拓扑荷数和幂指数的变化会影响光强的分布,而相干长度对光束整体强度的分布没有太大的影响,只影响了光斑的质量.本文研究成果揭示了部分相干幂指数相位涡旋光束的传输特性,为其在光学捕获等领域的应用打下了理论基础,对促进新型光场调控理论及应用研究具有重要的意义.     

部分相干光光束的振荡自陷特性

用互相干函数法研究了圆形横截面的部分相干光光束在光折变晶体中的自陷行为.光束的初态及材料的非线性决定了光束自陷的变化形式,导出空间周期表达式,获得了光束相干半径的解析表达式,发现部分相干光光束的相干特性会随传播距离发生周期性的演化,并将圆形光束的讨论结果扩展到椭圆形光束中. 关键词： 空间孤子 部分相干光光束 相干半径