高斯光束经表面有缺陷的厚非线性介质的传输特性

光学元件上存在的缺陷会对传输光束产生局域振幅和位相调制. 基于衍射理论模型和分步傅里叶算法,模拟分析了高斯光束经过表面有缺陷的非线性介质的传输过程中于介质内及从介质出射后在自由空气的传输特性, 并详细研究了在厚介质前表面有缺陷的情况下,介质中和自由空气中的光强分布演化规律. 研究表明,介质厚度越长、介质的非线性折射率越大,光束整体聚焦越厉害, 聚焦点离介质后表面越近.光束受调制点的位置离中心越近,光束分裂成丝产生的局部光强越大, 且介质表面存在缺陷将使通过的光束在介质后表面处产生一个很大的光强, 相位调制型缺陷产生的这一光强点比振幅调制型缺陷产生的光强点更强.     

环形光束的聚焦性质研究

从理想的环形光束出发,理论上分析了环形聚焦光束在焦点附近的光强分布情况,以及光束内外径之比对聚焦性质的影响.然后利用数值模拟的手段,研究了带软化因子的环形光束的聚焦性质,在整体上给出了环形光束的聚焦性质.     

平顶光束经表面有缺陷的厚非线性介质后的光强分布

基于非线性薛定谔方程和分步傅里叶算法, 研究了高功率平顶高斯光束经过厚非线性介质后在自由空间传输的光强演变过程, 详细分析了介质表面缺陷对光强演化规律的影响.研究结果表明, 平顶阶数越大, 光束的自聚焦效果越差, 最大光强点越靠近介质后表面.入射光束的初始场强越强, 介质的厚度和非线性系数越大, 光束的自聚焦越强, 且极值点越靠近介质后表面.介质表面的缺陷使得光束在靠近介质后表面有较大的光强. 并且相位调制型缺陷比振幅调制型缺陷对光强的影响更大. 关键词： 平顶光束 自聚焦 缺陷 光强分布     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

非线性介质表面缺陷对激光光场的调制

以高斯光束为例,研究了非线性介质表面振幅调制型缺陷对光场的调制。基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分并采用泰勒级数展开方法,建立了高斯光束经过表面存在缺陷的非线性介质后的传输模型,得到了受缺陷调制光束经非线性介质后的光强分布解析式,研究了缺陷尺寸和光束在非线性介质中产生的附加相移大小对光强分布的影响,结果表明介质表面的缺陷尺寸越大,介质内产生的附加相移越大,光场受到的调制越严重。分别考虑了非线性折射率为正值和为负值的情况,研究发现相应的折射率值导致光束发生会聚或发散现象,并由于缺陷调制的作用,在光束传输过程中始终存在一光强极值点,且随着附加相移绝对值的增大光强极值点的峰值也随之增强。     

大气湍流中部分相干聚焦涡旋光束的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了部分相干高斯-谢尔模型涡旋光束被聚焦后在大气湍流中的传输特性,得到了焦平面上光强解析表达式.利用该表达式,详细研究了该类光束在大气湍流中传输焦平面上的光强分布特性.结果表明：在大气湍流中,随着传输距离的增加,涡旋光束的奇异性逐渐降低.对于拓扑荷大的以及空间相干长度较长的涡旋光束,光束奇异性的保持相对要好.在一定的焦距长度和湍流大气条件下,我们可以通过调整光源的拓扑荷和相干长度控制焦面光强分布和焦斑大小.另外,有一定拓扑荷的涡旋光束可以在一定程度上降低大气湍流对传输光束焦面光强分布的影响.     

体全息光栅线性记录折射率分布的修正

在讨论非线性记录体全息光栅的光谱特性时,发现一些文献在线性记录时折射率分布的表达式有些不妥.重新讨论了线性记录情况下折射率分布的表达式,引入了光束比和总光强折射率调制系数,用耦合波理论计算讨论了不同光束比和总光强折射率调制系数对光栅衍射光谱特性的影响.计算结果表明,光栅衍射光谱主峰峰值随总光强调制系数的减小而略有降低,主峰峰值随光束比减小下降得不大,带宽随总光强调制系数和光束比的减小而明显变窄,次峰峰值随总光强调制系数和光束比的减小而明显减小.     

大气湍流中高斯空心涡旋光束的焦面光强分布

运用广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了聚焦高斯空心涡旋光束通过湍流大气传输后在焦平面内的光强分布的理论模型,同时分析了不同大气折射率结构常数C2n、聚焦距离、光束拓扑荷和湍流外尺度对焦面光强分布特性的影响.结果表明:随着聚焦距离的增加,焦面光强分布由中央凹陷状向高斯分布转变.弱湍流对焦面光强分布的影响可以忽略;高拓扑荷光束在湍流大气中传输时光波奇异性的保持较低拓扑荷奇异光束要强;随着湍流外尺度增加,焦面光强分布的中央凹陷状变浅,光强分布变平滑.     

高功率激光通过有中心遮拦透镜的聚焦

用广义惠更斯－菲涅耳衍射积分对有振幅调制和位相畸变的高功率激光束通过有中心遮拦透镜的聚焦特性作了详细研究，并对焦面处光束的可聚焦性进行了讨论。数值计算结果表明，功率集中度与光阑的遮拦比，光束截断参数以及振幅调制和位要畸变参数等有关。     

光束控制系统热效应与球差对激光光束质量的影响

采用Strehl比、桶中功率、β参数和束宽描述远场光束质量，研究了光束控制系统热效应和球差对远场激光光束质量的影响.用四维仿真程序作了详细计算，给出了数值计算结果并进行了物理分析.研究表明，传输通道的热效应和正球差会使远场光强分布扩展，可聚焦能力下降，光束质量变差.有意义的是，当激光发射功率达到一定值时，合适选取负球差会在几何焦面得到比无球差时更高的峰值光强和更好的可聚焦能力.但在以前的工作中，由于焦移，类似的结论是在实际焦面上得出的.非线性热晕的存在是其物理原因，对此用数值计算例子作了说明. 关键词： 高功率激光 热效应 光束控制系统 球差     

克尔效应对高斯光束聚焦特性的影响

利用菲涅尔—基尔霍夫衍射积分公式，研究薄片近似情况下的Kerr效应带来的波前畸变对高斯光束聚焦特性的影响.在相位延迟为－2~2 rad的范围内进行的模拟计算表明：正Kerr效应能提高高斯光束的聚焦强度、增大相对焦移量、提高聚焦光束的焦平面桶中功率和降低几何焦平面的峰值光强；而负Kerr效应，则会降低聚焦强度、增大相对焦移量、降低聚焦光束的焦平面桶中功率和几何焦平面的峰值光强.可以通过增大光束菲涅尔数来抑制Kerr效应对聚焦特性的影响.     

4pi聚焦系统中振幅和相位调制的径向偏振涡旋光束聚焦特性的研究

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式, 研究了径向偏振涡旋光束在振幅和相位调制下的4pi聚焦特性.振幅调制是通过振幅滤波实现, 即改变入射光束起始积分值达到调节,相位调制是通过添加相位延迟角δ 的液晶相位延迟器来改变入射光束的偏振态.模拟结果显示,随着振幅的减小, 4pi聚焦系统焦点附近的光轴上呈现出多光球结构; 而相位调制对焦点附近的光强分布产生拉伸作用, 即调节入射光束的拓扑核m和相位延迟器的延迟角δ,可以得到特殊的光强分布. 随着相位δ增大, m=0产生的多光球结构慢慢向光链结构转变,最终变成暗通道;而m=1产生的光链结构慢慢变成光球结构; m=2产生的暗通道变成光球和光链叠加的结构, 这种特殊聚焦光束在光学微操纵领域具有潜在的应用价值. 关键词： 物理光学 偏振 光链 4pi聚焦系统     

Tight Focusing Properties of Radially Polarized Gaussian Beams with Pair of Vortices

The tight focusing properties of a radially polarized Gaussian beam with a nested pair of vortices having a radial wave front distribution are investigated theoretically by the vector diffraction theory.The results show that the optical intensity in the focal region can be altered considerably by changing the location of the vortices nested in a radially polarized Gaussian beam.It is noted that focal evolution from one annular focal pattern to a highly confined focal spot in the transverse direction is observed corresponding to the change in the location of the optical vortices in the input plane.It is also observed that the generated focal hole or spot lead to a focal shift along the optical axis remarkably under proper radial phase modulation.Hence the proposed system may be applied to construct tunable optical traps for both high and low refractive index particles.     

Focus evolution of Gaussian beam induced by phase plate

In this article, vector diffraction theory is employed to investigate the focusing properties of the Gaussian beam through a phase plate. The phase plate may alter the wavefront phase of an incoming beam by topological charge. Both the circular phase distribution and the annular phase distribution plates are investigated. Numerical simulations show that the focal intensity distribution depends on topological charge. With changing topological charge, focal intensity distribution may evolve into ring shape, and some novel focal spots may occur. Focal intensity distribution evolving process with integer topological charge differs considerably from that with fraction topological charge. When the concentric annular phase plate is placed in the laser path, the focal intensity distribution depends on both the inner radius and topological charge. For small inner radius of the phase plate, doughnut-shape focal pattern occurs. With increasing inner radius, the diameter of the doughnut focal pattern decreases, and doughnut shape disappears slowly in some cases.     

双环角向偏振光束深聚焦特性

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式,研究了双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦特性,推导了双环角向偏振光束经环状透镜深聚焦的光强表达式。根据数值模拟结果,比较了相关参量的变化对深聚焦特性的影响。研究表明:入射光束经环状高数值孔径透镜聚焦后,在焦平面得到了具有广泛应用的亚波长空心光斑,并且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,使聚焦空心光斑达到亚波长量级;双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦以后,在焦平面附近产生了一个更长的焦深（约28倍入射光波长）。     

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.     

高功率激光驱动器中小尺度自聚焦和噪声模型

 建立了一套线性的近似分析方法，研究高功率激光驱动器中强激光传输的小尺度自聚焦效应和相位噪声对光束传输和光束质量的影响，给出了系统噪声强度、B积分值与光束近场调制对比度之间的定量关系。研究表明,为保证输出光束质量，即近场调制对比度小于给定值，系统内的噪声强度必须符合一定的谱分布。     

环状光束通过透镜的聚焦特性研究

给出了环状光束在柱坐标系下的一种描述模型,并利用广义衍射积分理论,推导出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式.在此基础上,通过数值模拟方法定量分析了环状光束的聚焦光强分布以及焦面处的桶中功率.研究结果表明,环状光束的聚焦特性与光束阶数以及系统菲涅耳数有关;环状光束在实际焦面和几何焦面上的桶中功率均随着遮拦比的增大而降低,而随着系统菲涅耳数的增大而增大.在实际工作中,通过合理地选取系统菲涅耳数和光束遮拦比可以有效地控制环状光束聚焦后的光束质量.