贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了贝塞尔高斯涡旋光束在湍流大气中传输时系统平均光强的解析表达式,研究了贝塞尔高斯空心涡旋光束在湍流大气中的光强传输特性,同时分析了大气湍流的强弱、涡旋光束的拓扑荷等对光束质量的影响.结果表明:贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时,光强分布经历几个连续的变化,相位奇异性也会在传输过程中消失,该过程与涡旋光束拓扑荷的数目、光束的束腰宽度以及大气湍流的强弱等因素密切相关.拓扑荷数目高的涡旋光束在湍流大气中传输时,其奇异性的保持较拓扑荷数目低的涡旋光束要好.另外,基于桶中功率理论,分析研究了涡旋光束的拓扑荷数目、大气湍流强弱和束腰宽度对贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时的光束质量的影响.     

部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中的光强分布

根据广义惠更斯-菲涅耳原理以及交叉谱密度函数,利用Kolmogorov湍流谱推导得到部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中传输时光束的光强分布表达式,讨论了离轴距离、拓扑荷数、束腰宽度、相干长度、传输距离、湍流强度参数对光强分布的影响。仿真结果表明,拓扑荷数的大小不会改变暗核的位置;离轴距离的正负号决定了暗核移动的方向和光强集中区域的方向;暗核向上移动的距离随相干长度、束腰宽度的增大而减小,随传输距离、湍流强度的增大而增大;光斑展宽随相干长度、束腰宽度、传输距离、湍流强度的增大而增大。     

涡旋光束在湍流大气中的光束扩展

涡旋光束在湍流大气中传输时,其振幅和相位会发生随机起伏,导致在接收平面处的光强起伏及光束扩展等。以低阶拉盖尔-高斯涡旋光束为例,利用激光大气传输四维程序数值模拟了不同条件下的涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展。由模拟结果可知,传输距离越长或湍流越强,涡旋光束在大气中传输时的束宽扩展受湍流的影响越大;涡旋光束的拓扑荷数越高、光束的束腰越小或光波的波长越长,其束宽扩展受大气湍流的影响越小。湍流的内尺度和外尺度也会影响涡旋光束的光束扩展,但影响程度相对较小。另外,通过计算仿真还比较了涡旋光束和普通高斯光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展的差异。     

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.     

涡旋光束在湍流大气中的传输特性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理, 研究了涡旋光束在湍流大气中的传输特性。研究结果表明, 涡旋光束在湍流大气中传输时, 截面光强会从空心分布转化为高斯分布。光束所带的拓扑电荷数以及大气湍流均会影响光强分布的变化。研究结果还表明, 涡旋光束能够抑制大气湍流对光束扩展的影响, 这一现象得到了实验上的证实。通过杨氏双缝干涉的方法, 还研究了涡旋光束经过湍流大气传输后的拓扑电荷数。研究发现, 涡旋光束经过湍流大气后, 拓扑电荷数将发生波动。     

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.     

椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输特性

本文采用分步相位屏方法来仿真椭圆涡旋光束在海洋中的实际传输情况,并对椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输光强和闪烁因子进行了仿真。研究发现,椭圆涡旋光束在海洋传输过程中,光斑会发生明显的旋转,同时光斑会产生暗核且暗核个数与光束的拓扑荷数相等。一个拓扑荷数为m的相位奇点会分裂成m个拓扑荷数为1的相位奇点,并且海洋湍流越强,光斑受到的干扰越严重。研究还发现,在较弱的海洋湍流中,随着传输距离的增加,椭圆涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束和涡旋光束的闪烁因子,而且在远距离处拓扑荷数越大闪烁因子降低越明显,同时也发现,传播一段距离后涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束的闪烁因子。在较强湍流中,椭圆涡旋光束的闪烁因子会交叠在一起。对于不同强度的海洋湍流,随着均方温度耗散率的增大,椭圆涡旋光束的轴上点闪烁因子也增大。在同一传输距离处,束腰宽度越小的椭圆涡旋光束闪烁因子越小。     

大气中超高斯和高斯涡旋光束传输特性比较

为比较两种不同类型涡旋光束在大气湍流中的传输特性,利用菲涅耳衍射积分公式,推导了涡旋光束在湍流大气中的传输表达式。采用随机相位屏法建立了涡旋光束在大气湍流中的传输模型,计算了不同参数下涡旋光束的强度分布以及光束质量。结果表明:传输距离、拓扑荷数和湍流强度都会对涡旋光束光束质量产生影响。其中,传输距离对超高斯涡旋光束的光束质量的影响更大,而拓扑荷数则对高斯涡旋光束的光束质量的影响更明显。     

彗差和球差对涡旋光束斜程传输特性的影响

利用涡旋光束作为空间光通信载波可以大大提高数据传输的容量,因此,研究涡旋光束在大气湍流中的传输具有重要意义.涡旋光束在大气湍流中传输时会产生光束漂移,进而影响通信系统的性能.本文基于多相位屏和傅里叶变换的方法,研究了带有彗差和球差的涡旋光束在大气湍流中传输时的光束漂移特性.结果表明,涡旋光束在大气湍流中传输时,随着传输距离的增大,彗差和球差对光束漂移特性的影响均明显增强.传输天顶角及彗差系数越大,涡旋光束的光束漂移量越大,而球差系数的增大,将会降低光束漂移量.当天顶角和传输距离相同时,涡旋光束的漂移量都会随着拓扑荷数的增大而减小.相对而言,彗差对涡旋光束的光束漂移特性影响比球差更大.     

完美涡旋光束在大气湍流中的斜程传输特性

完美涡旋（POV）光束具有光束半径与拓扑荷数无关的特点,与其他涡旋光束相比具有更加稳定的空间强度分布特性。利用多相位屏法和傅里叶变换法,分析了POV光束在大气湍流中的斜程传输特性。采用光束漂移和孔径平均闪烁指数作为大气湍流影响光束质量的评价参数,对比了POV光束与高斯涡旋光束在相同传输条件下的光束质量。结果表明：相比于高斯涡旋光束,POV光束的光束稳定性更好。当拓扑荷数增大或天顶角减小时,POV光束抵抗大气湍流的能力增强。在不改变POV光束拓扑荷数的前提下增大其光束半径,也能提高POV光束对大气湍流的抵抗能力。     

分数阶双涡旋光束的实验研究

具有分数阶拓扑荷数的涡旋光束的产生及其传输是近几年来人们感兴趣的研究课题． 本文提出了一种新型的分数阶双涡旋光束, 该光束是由两束带有不同分数阶拓扑荷数的涡旋光束共轴叠加产生, 其光强分布为双环结构．我们对该光束分别进行了理论模拟和实验研究．研究表明, 分数阶双涡旋光束的双环携带不同的轨道角动量, 且相互独立地传输．这种新型的涡旋光束相对于整数阶或单个分数阶拓扑荷数的涡旋光束更具有控制多样性, 有望在光学镊子、光学扳手等微粒子操控领域开发新的应用．     

超高斯涡旋光束在空间中的传输特性

研究了超高斯涡旋光束光强最大值、光斑半径以及环围能量半径等参数随传输距离和拓扑荷数的变化规律,并与高斯涡旋光束做了比较,结果表明:超高斯涡旋光束的光斑半径和环围能量半径随拓扑荷数及传输距离呈近似线性关系;对同一拓扑荷数和传输距离,高斯涡旋光束的能量较超高斯涡旋光束要发散;当拓扑荷数较大时,超高斯涡旋光束的光斑半径比高斯涡旋光束更大。针对光束质量研究了广义光束质量因子随传输距离和拓扑荷数的变化,结果表明传输距离足够远时,拓扑荷数较小的超高斯涡旋光束具有更好的光束质量。     

大气湍流像差散焦和像散与高斯涡旋光束焦面光强

分别研究了构成大气湍流波像差中的散焦和像散两个低阶像差对高斯涡旋激光束传输和成像的影响.采用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论和大气湍流波相位结构函数的平方近似研究了聚焦高斯涡旋光束在大气湍流中散焦和像散影响下焦面光强的分布特性.导出了斜程传输条件下接收面上平均光强分布的积分表达式,并采用数值模拟方法研究湍流强度、传输距离和拓扑电荷对焦面光强的调制规律.结果表明:在弱湍流起伏区域,散焦和像散两类像差对高斯涡旋光束的光强分布影响都很小,可以忽略;在中等湍流区域,随着光束传输距离和湍流强度的增加,两类像差都导致高斯涡旋光束的光强峰值降低、束径扩展、中心暗斑扩大.当单拓扑电荷高斯涡旋光束传输时,在同等传输条件下,像散导致的光强峰值降低比散焦更严重,主亮斑区域外的次级亮环强度更大,光斑和中心暗斑扩展更明显.与单拓扑电荷光束相比较,散焦和像散导致双拓扑电荷光束的扩展更加明显,中心光斑更大,亮环区域外的次级亮环更明显;但是,由于光的相干性的降低和光束的偏折效应,像散导致光束中心的暗斑变为次级亮斑.     

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.     

水下拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态传输特性

通过实验研究了拉盖尔-高斯涡旋光束及其叠加态在水下湍流中的传输特性,充分考虑了不同温度差和盐度差的水流扩散产生的湍流对4种光束（高斯光束,阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光束,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为6的拉盖尔-高斯涡旋光叠加,阶数为1、拓扑荷数为2与阶数为0、拓扑荷数为10的拉盖尔-高斯涡旋光叠加）传输的影响,并对4种光束的漂移方差和闪烁指数进行深入讨论与分析。实验结果表明：随着湍流强度的增大,4种光束的漂移方差和闪烁指数都增大,相比其他3种光束,拉盖尔-高斯涡旋光束的漂移方差和闪烁指数较小;在较弱的湍流强度下,两种涡旋光叠加态的漂移方差和闪烁指数与拉盖尔-高斯涡旋光束相近。     

离轴平顶高斯涡旋光束形成的合成光涡旋及其在自由空间中的传输

对两束拓扑电荷m_1,2=±1的平行、离轴平顶高斯涡旋光束在束腰面叠加形成的合成光涡旋及其在自由空间的传输做了研究.详细的数值计算和分析表明,合光涡旋的位置、数目和净拓扑电荷与光束的控制参数,包括相对位相,振幅比,束腰宽度比,相对离轴参数,光束阶数,以及传输距离有关,但拓扑电荷不总是守恒. 关键词： 奇点光学 合成光涡旋 平顶高斯涡旋光束 拓扑电荷     

贝塞尔高斯光束在各向异性湍流中的传输特性

采用随机相位屏仿真方法模拟了各向异性大气湍流及贝塞尔高斯涡旋光束在其中的强度分布、在轴闪烁指数和抖动效应,分析了各向异性湍流参数和波源参数对涡旋光束传输质量的影响.结果表明,在各向异性大气湍流中,贝塞尔高斯涡旋光束的强度分布随传输距离的变化情况与离轴距离有关,仅一级圆环处强度值单调递减,其余次级圆环处强度值均呈现先增后降的趋势.在近距离处,贝塞尔高斯涡旋光束的在轴闪烁指数随波形参数的增大而减小,随光束宽度的增大呈现先上升后下降再上升的趋势,该现象与贝塞尔高斯光束的光斑尺寸大小相关;其抖动效应随波形参数、拓扑荷数量、波长和束腰半径的增大而减弱.但在远距离处贝塞尔高斯涡旋光束的闪烁效应和抖动效应随波形参数的影响与近距离处相反,这与贝塞尔高斯光束的展宽突然增大的现象一致.贝塞尔高斯涡旋光束在各向异性湍流大气中的抖动效应小于在各向同性湍流大气中的情况,并且在远距离处大于拉盖尔高斯涡旋光束的抖动效应.     

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.     

光学涡旋横向线动量密度的传输演化特性

对于光学涡旋特别是具有复杂拓扑结构的光学涡旋,可以通过数值计算的方法获得实验上难以准确测量的角动量分布及其传输演化特性。在略去线偏振光场线动量密度中的轴向分量的情况下可获得涡旋光场的横向线动量密度,其在光束截面上的角向分量表征了涡旋角动量的分布。通过数值模拟,研究了单束拉盖尔-高斯光束和拓扑荷不同的两束拉盖尔-高斯光束同轴叠加后在自由空间中的传播过程,获得了强度分布、相位分布和横向线动量密度在瑞利长度内的分布特征。通过分析光束横截面上强度分布和线动量密度的演化特性表明,在远离束腰处光束的衍射效应不仅降低了横向线动量密度,还会增加径向分量,因而增强了径向力学特性,减弱了角向力学特性,因此在具体实施微操控时不宜在距离束腰面较远的横截面内进行。     

斜程大气中聚焦J0相关部分相干光束的传输特性

采用部分相干光交叉谱密度理论,给出了适用于任意大气湍流条件的斜程湍流大气传输J0相关部分相干光束在接收面内的长期平均光强分布、光束长期扩展和质量因子的解析表达式,分析了天顶角、传输距离、光源相干性以及湍流外尺度对接收面光强分布特性和光束扩展的影响.研究结果表明:在天顶角和传输距离一定的条件下,通过选择合适的光源相干性可控制焦面光强为平顶分布或中心光强为最大;在传输距离给定的条件下,随着天顶角或大气湍流外尺度的增加,焦斑光强分布均由中央凹陷分布逐渐变为高斯分布.焦面附近光强的中央凹陷比焦面的中央凹陷浅.J0相关部分相干光束实际焦斑位置随天顶角、湍流外尺度的增加以及相干性减弱而移向发射端.