部分相干圆刃型位错光束在生物组织中的动态演化

以广义惠更斯-菲涅耳原理为基础,利用推导的部分相干圆刃型位错光束在小鼠真皮组织传输中的交叉谱密度函数解析表达式,研究了光束初始参量(光束波长λ和圆刃型位错数目n)和传输距离z对光束归一化光强分布、相位演化和传输轨迹的影响。结果表明,位错数为n的部分相干圆刃型位错光束,源平面内中心光强最大,两侧对称分布着2n个次峰。随传输距离增加,光强分布由多峰状逐渐演化为单峰状,波长越长,n值越小,光强分布演化越快。位错数目越多,光束稳定性越好。源平面内n个圆刃型位错最内侧的环半径随位错数目增加而减小。受到生物组织湍流诱导和衍射效应的综合作用,自传输开始,圆刃型位错分裂为n对拓扑荷分别为"+1"和"-1"的相干涡旋。随传输距离增加,又新生n对拓扑荷为"+1"和"-1"的相干涡旋。波长越长,n值越大,光束相位演化越快,相干涡旋的位置分布由分散趋于集中,最终全部湮灭。相干涡旋对间距越小,湮灭越早。波长越长,位错数目越多,起始相干涡旋对越早开始湮灭,全部湮灭的传输距离越长;波长越短,位错数目越多,新生相干涡旋对越早开始湮灭,全部湮灭经历的传输距离越长。     

平面涡旋光干涉的分析

光学涡旋具有独特的相位奇点和螺旋相位结构, 多个涡旋光场之间的干涉呈现出新颖的强度和相位分布特征.通过在平面波背景中嵌入涡旋相位产生平面涡旋光场, 采用数值模拟方法研究了多个平面涡旋光场之间的干涉, 并分析了两个平面涡旋光场的中心间距及拓扑荷值对涡旋产生和湮灭的影响.进一步数值研究了对称分布的多个点涡旋光之间的干涉, 结果表明通过改变涡旋光束数目或者拓扑荷值, 可获得不同分布的对称涡旋阵列光场.利用计算全息并通过空间光调制器, 实验上实现了具有不同拓扑荷值的多个对称点涡旋光场的干涉, 其干涉图样与模拟结果吻合.实验结果不仅证实了数值模拟结果, 也为实验研究复杂涡旋光场的干涉提供了一种有效方法.     

利用非传统螺旋相位调控高阶涡旋光束的拓扑结构

本文提出一种利用非传统螺旋相位调控高阶涡旋光束拓扑结构的方法.数值模拟并实验研究了具有不均匀旋转梯度的非传统螺旋相位对高阶涡旋光束的调控行为.结果表明, 携带有非传统螺旋相位的高阶涡旋光束在传输过程中, 将退化为沿一条直线排列的多个一阶相位奇点, 并且, 这种非传统螺旋相位对高阶涡旋光束的调控特性, 可抑制相位噪声等扰动所引起的拓扑结构随机退化现象.本文的结论为涡旋光束拓扑结构的调控提供了一种可行的新途径, 在基于涡旋光束的光学通信、光学操控等方面具有潜在应用.     

从平面波的线性干涉到涡旋光的角向干涉

依托中学生“英才计划”课题，以光场调控技术为选题，开展了从平面波线性干涉到涡旋光角向干涉演化过程的实验教学.从理论上模拟了涡旋光束与平面波的相干叠加，通过数值分析确认了拓扑荷数与干涉条纹的关系.实验上利用螺旋相位板制备涡旋光束，并采用马赫-曾德尔干涉法观测光强分布图.结果表明：涡旋光束与平面波的相干叠加，可以视为在线性干涉图样中移入与拓扑荷数相关的叉型条纹；而具有相反拓扑荷数的涡旋光束的角向干涉图样，则呈现与拓扑荷数相关的角向干涉条纹.     

用四台阶相位板产生涡旋光束

涡旋光束的产生与应用是当前光学领域的研究热点. 利用傅里叶级数展开法分析了四台阶相位板的相位结构, 发现四台阶相位板可看作是由一系列不同拓扑荷数的螺旋相位板所组成, 用线偏振光直接照射相位板时, 将产生多级衍射光波, 各级衍射光均为不同拓扑荷数的涡旋光波, 由于多级衍射光波间的干涉导致光强分布偏离轴对称分布, 因而与涡旋光波有一定差距. 在此基础上, 提出了用四台阶相位板产生涡旋光束的新方案, 借助于Mach-Zehnder 干涉仪光路, 两块四台阶相位板产生的衍射光干涉叠加, 通过调节干涉仪光路的相位差, 使一部分衍射级干涉相消, 另一部分衍射级干涉相长, 相互加强, 从而把线偏振光转换为涡旋光束. 数值模拟计算了几种周期数不同的四台阶相位板衍射光强和角动量分布, 并与螺旋相位板进行比较, 证明用简单的四台阶相位板不仅能够获得与用螺旋相位板相同的涡旋光束, 而且可以用周期数较小的四台阶相位板产生具有大拓扑荷数的涡旋光束, 降低了制作相位板的难度.     

线偏振相位涡旋光束的像散特性

提出采用像散系数表征涡旋光束的像散特性。利用螺旋相位板产生了线偏振相位涡旋光束,并对其光束质量及像散特性进行了实际测量。数值模拟了不同拓扑荷数的涡旋光束的传输特性及光束质量,分析了像散系数随拓扑荷数变化的规律,结果表明:当拓扑荷数为整数时,光束无像散,像散系数为零;当拓扑荷数为半奇数时,光束的像散特性明显,像散系数达到极大值;随着拓扑荷数整数部分的增加,像散系数的极大值减小。     

利用柱透镜调控涡旋光束的拓扑结构

提出了一种利用柱透镜调控涡旋光束拓扑结构的方法.利用计算全息法制作的叉形光栅掩模板,实验获得了具有不同拓扑荷的涡旋光束,分析了涡旋光束通过柱透镜变换后的强度和相位分布.结果表明,涡旋光束经柱透镜变换后,其拓扑荷符号将发生改变,并且高阶涡旋光束退化为多个分离的一阶涡旋光束.利用高阶激光模式的线性叠加特性以及古依相移对实验结果进行了理论解释,并通过数值模拟对实验结果进行了验证.     

螺旋微孔阵列对涡旋光束的调制机理研究

从理论和实验上研究涡旋光束通过具有费马螺线分布微孔结构的衍射板后拓扑荷数的变化情况,以及光束强度分布的衍射和聚焦特性。利用一个正透镜对衍射光束进行聚焦,观察和研究聚焦光束在焦平面后一定范围内的光强分布变化情况。衍射光束的最内环光强分布在束腰前后约有五个变化阶段。这一变化趋势适用于涡旋光束通过微孔沿不同费马螺线分布的衍射板的情况,无论是螺线旋转方向的改变,还是螺线结构数目的改变。通过衍射光束与球面波的干涉来验证拓扑荷数的变化规律。结果表明,这种衍射可以产生新的拓扑荷数,其变化与入射涡旋光束的相位波前和螺旋微孔阵列的相对旋向有关。     

对称艾里涡旋光束的传播特性

提出了一种对称艾里涡旋光束.在对称立方相位的基础上引入螺旋相位因子形成新的相位图,加载该相位的高斯光束经傅里叶变换后产生对称艾里涡旋光束.研究表明:对称艾里涡旋光束出现自聚焦现象,且由于轴上涡旋的存在,其中心呈现中空现象,涡旋结构携带的轨道角动量使光束在初始平面处发生旋转,拓扑荷数越大,中空结构越大,旋转角度也越大,而拓扑荷数的正负仅改变光束的旋向.理论分析表明,离轴涡旋在初始平面处,因与光轴中心距离较远,并不会影响对称艾里光束主瓣的能量,即中心并无光强为零区域,但随着传播距离的增加,离轴涡旋逐渐出现在对称艾里光束其中的一个主瓣上.此外,对称艾里光束还可以加载多个离轴涡旋,能同时无损伤地捕获多个微粒.该光束不仅具有自聚焦特性,并且其中心呈中空结构,同时还携带轨道角动量,在光学微操纵与生物医学等方面有潜在应用.     

广义双曲正弦-高斯光束的Gyrator变换性质和暗空心光束产生

基于Gyrator变换,推导了广义双曲正弦-高斯光束场分布的解析表达式,研究了广义双曲正弦-高斯光束在Gyrator变换平面上的光强分布和相位特性.结果表明,在Gyrator变换过程中,具有边缘位错相位特性的双曲正弦-高斯光束能转换为具有涡旋的暗空心光束,并确定产生的暗空心光束的拓扑荷指数为一,而不具有边缘位错相位特性的双曲余弦-高斯光束则不可能出现空心结构.对影响变换场强度和相位分布的束结构参数及系统参数进行了分析讨论.     

基于光学涡旋相移技术的离面位移测量

设计了基于光学涡旋相移技术的离面位移测量实验方案,实现了电子散斑干涉中相移的数字控制.该方法利用输入液晶空间光调制器中的叉形光栅产生涡旋光束,通过涡旋光束绕轴的旋转产生相移;同时,产生的涡旋光束又作为参考光与物光干涉.实验中,在物体发生离面位移前后依次输入四幅叉形光栅,产生相移步长为π/2的涡旋光束,利用CCD获得涡旋光与物光的干涉光场,从而获得离面位移场的包裹相位;再通过解包裹,获得物体离面变形的相位变化.光学涡旋相移法可应用于离面位移测量.     

像散椭球高斯光束的理论分析与实验模拟

从理论上讨论了具有简单像散特必的椭 图 束的处理方法,在实验中利用两个正交的柱透镜模拟球面双轴透镜对半导体激光器的输出光束进行变换,得较为理想的结果,即把椭圆高斯光束自理为近似圆高斯光束。     

Axial distribution of Gaussian beam limited by a hard-edged aperture

In this letter, the axial distribution of Gaussian beam limited by a hard-edged aperture is studied. We theoretically analyze the axial diffraction of Gaussian beam limited by a hard-edged aperture, and give the simpler formulas of the axial diffraction intensities of Gaussian beam in Fresnel diffraction field and Fraunhofer diffraction field. The corresponding numerical calculation of axial diffraction intensity distribution of Gaussian beam with different wave waist is provided and the evolution of the diffraction distribution with the wave waist of Gaussian beam is explained. As the especial cases of the truncated Gaussian beam,the Gaussian beam in free space and the parallel light limited by the aperture are discussed too, and the system parameters of the truncated Gaussian beam which can cause it to equal to these cases are given.The theoretical results conform to the numerical analysis.     

椭圆高斯光束在强非局域非线性介质中的传输特性

研究了傍轴椭圆高斯光束在强非局域非线性介质中的传输特性，得到了其各参量的演化方程 及其精确解析解.通过对束宽演化方程及其精确解析解的进一步分析，发现傍轴椭圆高斯光 束在强非局域非线性介质中传输时，两横向方向束宽作周期性变化.不管初始功率为多大， 光束都将周期性的由椭圆高斯光束演化为圆对称高斯光束，再由圆对称高斯光束演化为椭圆 高斯光束；并且在演化的过程中，椭圆的半长轴和半短轴会作周期性交替变化.另外，在一 定初始功率下，傍轴椭圆高斯光束可以保持某一横向方向的束宽不变，得到光孤子. 关键词： 强非局域非线性介质 非局域非线性薛定谔方程 椭圆高斯光束 参量演化方程 空间孤子     

The temperature properties of matching Gaussian beam in biased two-photon centrosymmetric paraelectric photorefractive crystals

The effects of temperature on the intensity profiles and self-deflection of matching Gaussian beam in biased two-photon centrosymmetric paraelectric photorefractive crystals are investigated by numerical simulation. The results show that the matching Gaussian beam can involve into a stable solitary wave after some propagation distance. The peak intensity decreases and the width of the matching Gaussian beam increases as temperature rises. The absolute value of the bending distance decreases monotonically with increasing of temperature. The crystal proposed here is potassium lithium tantalite niobate (KTN).     

Arbitrary direction incident Gaussian beam scattering by multispheres

Based on spherical vector wave functions and their coordinate rotation theory,the field of a Gaussian beam in terms of the spherical vector wave functions in an arbitrary unparallel Cartesian coordinate system is expanded.The beam shape coefficient and its convergence property are discussed in detail.Scattering of an arbitrary direction Gaussian beam by multiple homogeneous isotropic spheres is investigated.The effects of beam waist width,sphere separation distance,sphere number,beam centre positioning,and incident angle for a Gaussian beam with two polarization modes incident on various shaped sphere clusters are numerically studied.Moreover,the scattering characteristics of two kinds of shaped red blood cells illuminated by an arbitrary direction incident Gaussian beam with two polarization modes are investigated.Our results are expected to provide useful insights into particle sizing and the measurement of the scattering characteristics of blood corpuscle particles with laser diagnostic techniques.     

Transformation of a hollow Gaussian beam into a ring-shaped beam using a phase aperture

Propagation of a hollow Gaussian beam diffracted by a circular phase aperture is studied without making the paraxial approximation. The analytical expression of the intensity of the apertured hollow Gaussian beam is presented in the far field. The influences of the truncation parameter and the order of hollow Gaussian beam on the intensity distributions are discussed. It is shown that a circular ?-phase aperture can be used to transform a hollow Gaussian beam into a ring-shaped beam in the far field with the appropriate parameters.     

高斯光束照射下的等倾双光束干涉

根据等倾干涉原理，对高斯光束经薄膜反射后的光强、可见度、条纹分布进行了理论分析，讨论了入射角对光强、可见度分布的影响，相位角对条纹可见度的影响.数值模拟计算表明：沿着垂直于光传播方向的平面，反射光束叠加区域为一圆斑，随着入射角的增大，可见度逐渐减小，光强分布偏离了高斯分布，光斑变大，峰值减小.干涉条纹在空间的分布类似于平面波的薄膜等倾干涉，主要由入射角及薄膜厚度决定.     

Propagation of elliptical Gaussian beam passing through apertured paraxial optical systems

The propagation of elliptical Gaussian beam passing through paraxial optical systems with aperture is investigated analytically by using tensor method. The approximate formula for propagation of elliptical Gaussian beam through hard apertured optical systems is derived based on the fact that the circ function can be expanded into a finite sum of complex Gaussian functions. The derived formula provides a convenient tool for treating the propagation and transformation of elliptical Gaussian beam through apertured optical systems. As an application example, the propagation properties of elliptical Gaussian beam through apertured fractional Fourier systems are discussed.     

Propagation analysis of flattened circular Gaussian beams with a circular aperture in turbulent atmosphere

The propagation properties of flattened Gaussian beam with aperture in turbulent atmosphere have been studied by using the extended Huygens-Fresnel principle. From the study and numerical calculation, the effects of aperture on the propagation of flattened Gaussian beams in turbulent atmosphere have been illuminated. It shows that when the value of the truncation parameter δ is bigger, for example δ?2, the effects of aperture on the propagation properties are too small to be neglected. But when the truncation parameter δ is smaller, for example δ<2, the effects of aperture are complex. The peak value of the average intensity descends more rapidly and the beam spot spreads quicker with aperture than that without aperture when the propagation distance increases. Meanwhile, with the propagation distance increasing, the average intensity profiles of flattened Gaussian beams gradually convert into Gaussian average intensity profiles. In addition, some limiting cases are also discussed. It agrees with the existing results.