多元高斯声束衍射修正下液体非线性系数检测方法

有效检测材料的非线性系数β是非线性超声评价材料力学性能及早期疲劳损伤等的前提和关键,针对当前的有限幅值法仅适用于有限孔径探头近场测量的现状,本论文研究了一种不受检测距离影响的测量方法。为抑制实际检测过程中声能的损失和声场扩散对测量结果的影响,对基波和二次谐波检测值进行衍射和衰减修正,其中利用多元高斯声束精确计算二次谐波衍射系数,在此基础上计算非线性系数β以消除其与理想的平面波推导结果间的差异,提高不同距离下测量值的精度。针对水的非线性系数β进行了仿真分析和实验验证,结果均显示本文方法相比于传统有限幅值法具有明显的精度优势,且表明该方法测量材料的β不受检测距离的影响,为放宽非线性超声检测的应用条件提供了理论依据。      

有限入射声束在液固界面声反射的数值研究

采用将有限声束分解为一系列平面波的方法，对液固界面声束的声反射问题进行了数值研究，结果表明，当声束入射角为瑞利疲激角时，反射声速有明显位移；当声束在液固界面“掠射”时，反射声速显著变宽，文中还讨论了束宽对反射声速横截面上声场分布的影响。     

聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场的理论与实验研究

基于Khokhlov-Zabolotkaya-Kuznetsov(KZK)方程，在频域提出了聚焦超声波在层状生物媒质中传播的理论模型，该模型计及生物媒质的吸收、非线性和边界，同时考虑声源的衍射对声传播的影响.数值研究了聚焦超声波的基波和二次谐波在层状生物媒质中的声传播，并与实验结果相比较.研究结果表明，此方法可以有效地描述聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场. 关键词： 聚焦超声波 层状生物媒质 二次谐波     

基于空域分解的非线性有限声束快速计算

研究非线性有限声束的一种快速数值计算算法.理论研究表明非线性有限声束存在多种耦合:谐波之间的全耦合,各场点沿轴向的递推耦合以及沿径向的局部耦合,因此可以通过声场的径向空间区域分割提高计算效率,采用多线程实现并行计算.对非线性高斯聚焦波的计算结果表明,当声场计算规模与分割线程数合理匹配时,算法能够显著提高计算速度同时保证计算精度,计算结果与理论分析相符.     

142.8MHz次谐波聚束腔的结构优化设计

 使用二维有限差分法分析软件Superfish和三维有限积分法分析软件MAFIA，对142.8MHz次谐波聚束腔的结构进行了模拟和优化研究，给出了聚束腔结构优化设计的步骤和方法，确定了优化后聚束腔的基本结构。分析比较了Superfish和MAFIA两个软件的模拟优化结果，得出了基本一致的结论。还探讨了Superfish和MAFIA在聚束腔设计中的应用方法。     

圆锥面PVDF聚焦换能器的非线性声场理论及实验研究

圆锥面聚焦换能器可在超声成像中获得较好径向分辨率的同时提高探测深度.利用高斯声源函数叠加法来近似表示圆锥面聚焦声源的分布函数，结合近轴近似的KZK方程，得到了圆锥面聚焦换能器在损耗媒质中产生的基波、二次谐波声场的解析解.在实验上制作了PVDF圆锥面聚焦换能器，测量了圆锥面聚焦换能器的基波及二次谐波声场，实验结果和理论计算相符.     

声表面波在线性调频声栅上作Bragg衍射后的聚焦声场

本文应用准周期概念给出声表面波在线性调频声栅上Bragg衍射的透射函数。将一级衍射波的分布作为有限孔径内的已知分布。将求解透射区的一级声束的场分布问题作为求上述有限孔的衍射问题来处理。分析结果表明,对偏转声束来说,在Fresnel区存在一个Fraunhofer平面。线性调频声栅同时起两个作用:它既相当于一个等周期的声束偏转器,同时又是一个Fresnel透镜,在焦平面上的声场分布,是声栅出射平面上偏转声束幅度分布的Fourier变换。分析结果还表明:聚焦声轴随入射声波频率而平行移动。这一现象属首次发现,实验结果证实了上述理论分析预计。 关键词：     

基于Fourier-Bessel级数的Bessel型超声场二次谐波近场特性研究

将Fourier-Bessel级数引入KZK方程的求解，用于计算黏滞媒质中零阶Bessel型超声场的二次谐波声场，得到其级数形式的解析解，并由此得出二次谐波声场在近场分布的一个新结论.设声源表面声压分布为J₀(α₀r)，则二次谐波声压在近场的径向分布服从J²₀(α₀r)函数规律.这一结论合理解释了相关的实验结果，表明二次谐波声场在近场和远场有不同的径向分布，从而解决了非线性Bessel型超声场二次谐波的近场分布问题.研究还发现二次谐波声场具有类似基波声场的有限衍射特性.给出了一个数值计算和仿真实例.     

4π聚焦系统中衍射光学元件对聚焦场多光球结构的影响

主要研究了调制入射光场的衍射光学元件(DOE)对聚焦场的影响.以贝塞尔高斯光束为例,利用Richards-Wolf矢量衍射积分理论,分析几种不同DOE结构调制的径向偏振光束的4 π聚焦场.数值模拟结果表明径向偏振光束经DOE调制后的4π聚焦,在焦平面附近形成了具有潜在应用价值的多光球结构,并且发现形成的光球的个数与DOE的环数有关,而DOE的透射函数对其影响较小,且所形成光球的个数会随着DOE结构环数的增加而增加.     

矩形表面波探头声场的高斯声束叠加法

利用矩形压电晶片和有机玻璃楔块折射可激励出超声表面波,广泛用于固体近表面缺陷检测和材料特性测量.由于描述表面波三维声场的理论方法还鲜有报道,因而主要采用简化的表面波二维声场模型来定量分析这类问题.高斯声束模型近些年被广泛应用于解决超声体波传播的各种复杂问题,然而,目前还没有将其扩展应用到超声表面波的声场的计算中.通过结合表面波格林方程和矩形换能器的高斯声束模型,推导出基于高斯声束叠加的表面波三维声场解析解.进一步,将该方法与点源叠加的数值解进行了分析比较,计算结果表明表面波声场的高斯声束叠加方法在具有较好计算精度的同时,还具有更快的计算效率.     

Higher-order harmonics of general limited diffraction Bessel beams

In this paper, we extensively study the higher-order harmonic generation of the general limited diffraction m-thorder Bessel beam. The analysis is based on successive approximations of the Khokhlov–Zabolotskaya–Kuznetsov(KZK)equation. Asymptotic expansions are presented for higher-order harmonic Bessel beams in near and far fields. The validity of asymptotic approximation is also analyzed. The higher-order harmonic of the Bessel beam with the lowest zero-order is taken as a special example.     

Bessel beams of finite amplitude in absorbing fluids

Second-harmonic generation in a Bessel beam is investigated analytically, with emphasis on the effect of absorption. It is shown that absorption has a strong influence on the far-field beam profile. Numerical results are presented for higher harmonics and for waveform distortion in a Bessel beam that forms a shock.     

Effects of transverse profile of pump field on second harmonic generation in periodic nonlinear materials

We report on a theoreticalanalysis of the effects of a converging pump field of Gaussian transverse profile on second harmonic generation in a periodic nonlinear material with quasi-phase-matching. The outputs of the centre intensity and the intensity flux for second harmonic generation are derived by simulation, based on the parameters of quasi-phase-mismatch, the waist and focus positions of the input pump beam. The results show that when the transverse profile of the pump field is taken into account, the quasi-phase-match value and focus position of input beam for maximal second harmonic generation flollow new criteria.     

Higher-order harmonics of limited diffraction Bessel beams

We investigate theoretically the nonlinear propagation of the limited diffraction Bessel beam in nonlinear media, under the successive approximation of the KZK equation. The result shows that the nth-order harmonic of the Bessel beam, like its fundamental component, is radially limited diffracting, and that the main beamwidth of the nth-order harmonic is exactly 1/n times that of the fundamental.     

一种含时贝塞尔光束的理论性质研究

本文从理论角度提出了一种"含时贝塞尔光束"的概念.在非傍轴和非时谐条件下,直接从麦克斯韦方程出发,借鉴半贝塞尔光束的处理方法,同时引入第四维虚数坐标,由此获得了完整的"含时贝塞尔光束"的解析表达式.并从无衍射性质和时空特性两个方面对其进行了探讨和研究,发现该光束具有如下性质:符合贝塞尔光束类型的无衍射特征;在时空双曲线上强度保持不变;光波时空特性的临界条件类似于相对论中的光锥."含时贝塞尔光束"的概念为无衍射自加速光束的研究开拓了新的思路和方向.     

聚焦光场激发下中心对称球形粒子的二次谐波产生

在聚焦光场矢量衍射理论的基础上,利用贝塞尔函数的微分递推关系,推导了聚焦光场的梯度变化表达式。根据中心对称材料二次谐波产生的唯象模型,研究了单个中心对称球形纳米颗粒在聚焦光场激发下的二次谐波产生,考察了表面响应和体效应产生的二次谐波辐射分布随着数值孔径增大的变化规律,并利用聚焦光场及其梯度场分布特性讨论差异产生的原因。研究结果表明,激发光场的聚焦程度对体响应的影响更为显著。     

非线性有限束光声效应理论

当一束受正弦调制的激光入射于光声腔中的固体样品上时,由于非线性的光声效应,在光声腔中不仅能接收到基频成份的声信号,还能接收到其二次谐波成份。本文提出一个非线性热波束方程及其相应的非线性边界条件。借助于逐步近似法在光源为高斯径向分布的情形下,求解这一方程。利用Hankel变换获得这一方程的一级与二级近似解。解析结果表明,二次谐波的热波束仍然维持高斯径向分布,而其高斯半径比基频成份小。分析还表明,二次谐波的振幅不仅与线性热参数,而且也与非线性热参数有关。后者或许能提供样品的更多的有意义的信息。综合其各种特点, 关键词：     

无衍射特殊光束的产生与三维表征

无衍射光束(如贝塞尔光束、艾里光束)因具有无衍射、自愈合的特性, 在很多领域都有广泛的应用. 本文提出使用纯相位型空间光调制器对光场的复振幅进行调控, 从而可以产生多种复杂模式的无衍射光束, 如强度可独立调控的多个零阶贝塞尔光束, 两个高阶贝塞尔光束干涉生成的花瓣状无衍射光束, 具有多个主瓣的加速光束等特殊的无衍射光束. 通过在待测焦场附近放置一个平面反射镜, 使其沿光轴快速扫描光场, 并由数字相机同步拍摄反射回来的一系列二维光场强度分布信息, 可实现对无衍射光束三维光场强度分布的快速测量和表征. 本实验方法和技术可以快速产生各种复杂的特殊光场并获得其精确的三维可视化重建效果, 在光学显微、光学俘获、光学微加工等领域有潜在的应用价值.     

像散Bessel光束自重建特性的理论和实验研究

基于菲涅耳衍射积分理论和巴比涅原理,推导出像散Bessel光束经圆形障碍物后的光强分布一般表达式.数值模拟了像散Bessel光束经圆形障碍物遮挡后光场的自重建过程,并设计相关实验进行验证,实验结果与理论模拟基本符合.结果表明：零阶像散Bessel光束经过轴上和离轴障碍物后均会发生光束重建现象.随着传输距离的增加,像散Bessel光束的外轮廓尺寸变大、中心光点阵列数增多,逐渐重建出不同于障碍物前的完整光束.并且观察到光束在重建过程中横向和纵向的重建速度并不一致,存在一定的速度差.利用螺旋相位板产生高阶像散Bessel光束,验证了高阶像散Bessel光束经障碍物遮挡后同样具有自重建特性.研究结果对像散Bessel光束在多层面粒子操纵方面的应用具有参考价值.