洛伦兹光束经光阑失调傍轴光学系统的传输

基于广义衍射积分公式和光阑函数的复高斯展开,导出了一洛伦兹光束经一个带圆形光阑失调傍轴光学系统的近似解析传输公式.作为一般公式的特例,还给出了洛伦兹光束经一无光阑失调傍轴光学系统的解析传输式.作为数值计算的例子,运用所得到的公式分析了洛伦兹光束经带光阑失调薄透镜的传输特性.结果表明：不同强度的衍射即圆形光阑半径的大小明显影响衍射光束的归一化强度分布及其传输变化规律. 关键词： 洛伦兹光束 失调傍轴光学系统 光束传输     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

高斯光束通过含失调窄缝光阑的失调光学系统的传输特性

 利用硬边窄缝光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了高斯光束经含失调窄缝光阑的失调光学系统传输的近似解析式。模拟结果表明输出光束场分布与光束参量、光阑尺寸、ABCD矩阵元、光阑失调量和光学系统失调量有关。针对给定的光学系统和高斯光束定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明:光阑横向位移、光学系统横向位移和角位移均引起垂直于z轴截面内明显的光强非轴对称分布。当光阑半宽度为1 mm时,光阑的衍射作用使腰斑半径为0.5 mm的高斯光束产生-1.586π～1.465π范围的相对相移,且光阑横向位移、光学系统横向位移和角位移均引起焦平面前后相对相移的迅速变化。随光阑宽度变小,各失调量对输出光束特性的影响越明显。     

慧差对线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用Richards-Wolf矢量衍射积分公式,获得线偏振贝塞耳-高斯光束经具有初级慧差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场复振幅函数,根据复振幅函数模拟了不同慧差系数下线偏振贝塞耳-高斯光束各分量及总光场在焦平面上的光强分布模式。研究结果表明,初级慧差使线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦光场在焦平面的分布由双轴对称变成单轴对称,光强模式发生改变;各分量及总光场的光强模式中的光斑位置随初级慧差系数的增大偏离光轴;大的初级慧差使焦平面出现干涉条纹。     

环形光束锥形衍射出射光场偏振特性及光场调控

环形光束的锥形衍射效应对于微粒的操控具有重要的应用价值.本文建立了环状高斯光束的锥形衍射模型,并基于Berry理论给出了线偏振态下环形光束锥形衍射出射光场的计算公式.理论仿真了环状光锥形衍射出射光场的偏振特性,得出环光锥形衍射出射光场的内、外亮环具有相互正交的偏振分布特性.搭建了线偏振态下环状高斯光锥形衍射的实验系统,实验验证了出射光场的偏振特性.针对环形光束锥形衍射出射光场具备的偏振特性,设计了一种组合偏振片,理论和实验研究了该组合偏振片对环光锥形衍射出射光场的调控.结果表明,随着组合偏振片方位角的变化,锥形衍射出射光场的内、外环强度发生周期性的变化.     

天文光纤机械扰模器调制环形光场的实验研究

光纤入射光束的角度和位置的变化对光纤出射光束的远场光强分布有较大影响。通过分析光纤出射光场的光强分布,研究了斜光束的偏轴角对光纤出射光场的影响。光纤耦合理论说明光纤的宏弯曲会使光纤内部模式相互耦合,根据这一原理设计一种能使光纤宏弯曲并以此来改善光纤出射场分布的机械扰模器。在实验中,对不同偏轴角入射及处于不同扰模程度的光斑进行中值滤波、高斯拟合等处理,得到光斑的径向光强分布曲线、高斯拟合度、不同出射焦比范围的能量变化等参数,以此分析机械扰模器的扰模效果。     

超细激光束准直器设计的新数学模型

为了获取长距离超细激光束，采用几何能量守恒法设计出一种衍射光学元件，推导出高斯光入射时衍射光学元件位相函数。根据建立的数学模型，设计超细激光束准直器，并模拟高斯光入射时出射激光束的光斑形状及光强分布，最后计算了能量利用率。     

彗差对线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用Richards-Wolf矢量衍射积分公式,获得线偏振贝塞耳-高斯光束经具有初级彗差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场复振幅函数,根据复振幅函数模拟了不同彗差系数下线偏振贝塞耳-高斯光束各分量及总光场在焦平面上的光强分布模式。研究结果表明,初级彗差使线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦光场在焦平面的分布由双轴对称变成单轴对称,光强模式发生改变;各分量及总光场的光强模式中的光斑位置随初级彗差系数的增大偏离光轴;大的初级彗差使焦平面出现干涉条纹。     

双级无衍射光束的生成理论与实验研究

为进一步完善多级无衍射光束的传输与变换理论,拓展双级无衍射光束的应用范围,根据轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析;基于轴锥镜法搭建生成双级无衍射光束的实验平台,获取了沿光轴传输至不同距离处的截面光斑及其光强分布,探究了平行光束不同入射倾角对无衍射光束传输变换的影响.实验结果表明:双极无衍射出射光场由四个区域组成,在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥出射场的耦合叠加,其余区域仍保持单级无衍射光束的传播特性,其光强大小受轴棱锥透镜的入射光阑与透镜底角影响,光斑破裂程度与平行光束的入射倾角呈正相关.本文对双极无衍射光束的空间传播特性、光强分布特性、光强影响因素等做了详细分析,对拓展多级无衍射光束的应用具有指导意义.     

高斯光束经环形光栅的衍射特性分析

基于傅里叶-贝塞尔变换计算高斯光束垂直入射环形光栅时的衍射远场分布,分析了其衍射远场光强分布的一般规律,并与平面波入射时的情况进行了比较.计算结果表明：当光栅半径为1.5倍高斯光束束腰半径时, 随着光栅环数的增加,中央亮斑半值全宽先减小后增大、中央亮斑所包含的功率占总功率的比值减小、中央主极大光强值减小,三者的变化趋势与平面波入射时的趋势一致;中央亮斑半径、次极大光强值变化趋势与平面波入射时的变化趋势不同.当环数小于5时,高斯光束经过环形光栅的衍射场光强变化无规律;当环数大于10后两种情况下衍射场光强变化都不明显;当环数趋于无穷时中央亮斑半径、中央亮斑半值全宽、次极大光强值趋于圆孔衍射(环数等于1)时的值,中央亮斑所包含的功率占总功率的比值约等于圆孔衍射时的1/2,中央主极大光强值约等于圆孔衍射时的1/4.     

激光束受限衍射对扫描系统分辨本领的影响

基于菲涅耳衍射积分公式推导出激光束经扫描元件衍射后场分布表达式,数值分析了激光束经扫描元件后衍射场振幅分布、激光束在扫描面上的光斑半径和激光扫描系统光学分辨本领的大小.结果表明,改变入射光束的束腰半径对激光扫描系统线分辨率、可分辨光点数和分辨容积产生不同的衍射影响.采用近似和拟合方法,分段给出不同衍射情况下激光扫描系统的线分辨率的函数表达式,并通过误差分析证明了近似和拟合函数表达式的精确性.     

Cassegrain激光发射系统的光路设计

为了提高激光探测系统激光的发射功率,在出射激光为基模的高斯光束的光路设计中,根据高斯光束经过光学系统的变换与传输特性,分析了系统采用Cassegrain望远镜时,其遮拦比以及入射光束束腰半径对光功率透过率的影响。通过具体的数值计算得出,随着遮拦比及入射光束束腰半径的增大,系统光功率透过率将减小,给出了望远镜遮拦比与发射孔径处光斑尺寸之间的最佳匹配关系,最后讨论了离焦误差（安装误差）为0.2mm时对出射光斑尺寸的影响。     

圆柱型光纤螺线圈轨道角动量模式

传统的沿z轴光纤传输光线的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)光束的制备方法共同之处都是从内部结构着想,光束的主光线基本上不变,只是波面在变.但要获得携带高mh的光有一定的难度.针对上述问题,本文建立以波面不变,光束主光线变化为基础的理论框架,利用微分几何理论验证不沿z轴圆柱型光纤螺线圈传输的光线可以携带高mh OAM的理论设想.研究发现:利用流动坐标(α,β,γ)计算光线在绕圆柱体的光纤中传输时光纤截面的衍射分布图呈现涡旋特征,有高阶OAM模式.当θ=θ0时,圆柱形轨道光纤过渡到直线轨道光纤.计算光线沿直线传输时光纤截面的衍射分布图是Airy斑,即圆孔衍射斑,无高阶OAM模式.     

全息光栅曝光系统中空间滤波器孔径与激光束腰关系的选择方法

在全息光栅制作过程中, 由空气悬浮颗粒及光学器件缺陷引起的散射光会被记录在光刻胶上, 既影响光栅衍射效率, 又会带来光栅杂散光. 为消除系统散射光, 需要对激光光束的高频成分进行滤波处理. 但是, 激光光束通过空间滤波器后发生衍射, 进而影响干涉场质量, 因此选择合适的空间滤波器孔径是搭建全息光栅曝光系统的前提条件. 根据标量衍射积分理论, 通过卷积计算滤波光束的振幅分布分析光束的相位变化, 以光束相位突变位置远离光束中心为依据确定滤波器针孔半径与光束束腰半径的比值下限; 根据滤波光束的能量守恒关系, 通过滤波光束的高斯参数变化描述光束的衍射强弱规律, 以光束发生衍射的临界条件确定滤波器针孔半径与光束束腰半径的比值上限. 结果表明, 当空间滤波器针孔半径与激光束腰半径之比满足1.52< a/ω₀<2.2时, 滤波光束曝光区域相位恒定, 光束能量通过率大于99%, 在此区间空间滤波器滤波效果最好.     

Zemax软件在取样光栅对设计中的应用

 光束取样光栅(BSG)是一种重要的用于光束取样诊断的衍射光学元件。以2块取样光栅代替单块光栅作为初始光学结构,运用Zemax光学设计软件采用分步优化的方法设计了具有消像差功能的光栅对结构,此方法比采用Matlab语言编程计算的方法消像差更快捷、更灵活,同时可以验证程序计算结果的正确性。设计结果显示：再现的会聚光经2块光栅衍射后在像平面上点列图中的均方根半径仅为0.506μm,单块取样光栅的均方根半径则为7.284μm,说明2块光栅能够做到像差互相矫正,其像质明显好于单块取样光栅。另外,设计出的双光栅光学系统,可进行远场光斑质量检测,为激光束性能的在线诊断提供了行之有效的技术支持。     

Diffraction of a modulated laser beam in 3ω optics system

Based on diffraction optical theory, diffraction of a laser beam with periodic amplitude modulation and phase distortion is derived in 3ω optics system. Influence of defocus distance and focal length of a focusing lens on intensity distribution of diffraction light is investigated by numerical simulation. The results show that appropriate distance away from the focus spot and increase the focal length in final optical systems are beneficial to control the modulation of light intensity fluctuations and reduce the optical components damage caused by small-scale self-focusing effect.     

高斯光束通过失调透镜系统的聚焦特性

为分析透镜系统中圆孔光栏和透镜失调对高斯光束聚焦特性的影响,利用椭圆光栏近似展开式和失调光学系统的广义衍射公式,推导高斯光束经含圆孔光栏失调透镜系统传输的近似解析式,得到输出光束光强极大值场分布与光束参量、孔径尺寸、光栏和透镜失调量之间的关系。针对特定透镜系统,定量分析失调量对输出光束聚焦特性的影响。结果表明:各元件的失调对输出光束聚焦特性均产生影响,在失调量较小时透镜横位移对输出光束聚焦特性的影响比透镜角位移对输出光束聚焦特性的影响更明显。