边界衍射波的意义

本文通过对边界衍射波理论的分析，结合实验，对边界衍射波的π跃变及其真实性等问题进行了讨论。     

边界衍射波位相跃变的理论分析

从经典的电磁波散射理论出发，分析了平面波通过光阑边界衍射时产生的位相跃交问题，结果证实了边界波的位相要发生π跃交。     

边界衍射波理论的两种提法之正误

文献［１］提出“修改的边界衍射波理论”与“π跃变”的观点，本文用它计算了圆孔衍射场，却得不到与实际定量相符的结果。说明“π跃变”提法欠妥。     

贝塞尔-高斯光束通过圆孔与圆环光阑的衍射

为了研究贝塞尔-高斯光束通过圆孔硬边光阑和圆环光阑的衍射特性,从Collins公式出发,采用数值模拟的方法模拟出光强分布.模拟结果表明,贝塞尔-高斯光束经圆孔光阑衍射后轴上光强随菲涅耳数F呈周期振荡;贝塞尔-高斯光束经圆环光阑后轴上光强随F呈振动衰减.在F相同时,贝塞尔-高斯光束经圆孔光阑衍射后横向光强分布比经圆环光阑衍射后横向光强分布平滑,孔径越小,光强调制越明显;当孔径与束腰相等时候,横向光强分布与菲涅耳数没有关系.     

高斯光束经波长级圆孔衍射的轴上光强特性

基于横截面上精确表述的光强和精确的衍射场公式 ,对高斯光束经波长级圆孔衍射的轴上光强特性进行了研究。结果表明 ,高斯衍射光束的轴上光强特性取决于初始高斯半宽度w0 和波长级圆孔的孔径R。对于w0 /R≥ 1的高斯衍射光束 ,轴上光强存在的极值个数和出现的位置仅由比值m=2R/λ决定 ,最大的轴上光强均出现在N =R2 / (λz) =1的地方 ;至于轴上光强极值的峰和谷明显与否 ,取决于w0 /R的比值 ,比值越大 ,轴上光强极值的峰和谷就越明显。当w0 /R的比值足够大时 ,就趋向于平面波入射时的情形。而对于w0 /R<1的这一类高斯衍射光束 ,轴上光强存在特定的演化规律 :随着初始高斯半宽度的减小 ,轴上光强极值个数逐步减少直至全部消失。     

相位片衍射的边界波理论分析

本文根据边界波衍射理论分析了圆孔及相位片的衍射现象,得出其轴上光强的解析表达式,并对高斯光束经相位片射后的轴上光强进行了数值计算和讨论。得到在一定条件的轴上最大衍射光光强可达入射光强的９倍。     

圆环孔径衍射高斯光束远场发散角研究

基于夫琅禾费衍射理论,通过对衍射积分的核函数进行近似,推导并得出了简洁的经圆环形孔径衍射的高斯光束远场发散角的近似解析式。在不同衍射孔径外径和不同遮拦比的条件下,将该解析式与严格的夫琅禾费衍射积分进行比较,发现二者求出的远场发散角接近一致,最大误差不超过2.7%。与传统数值积分求取光束发散角相比,该近似解析式在避免繁琐的积分运算同时保持了较高的精度。该解析式成立条件为高斯光束的束腰直径大于等于3.5倍中心遮拦直径,且小于等于孔径直径;在实际工程应用中,特别是具有大口径、小遮拦比特点的空间激光通信光学天线这一应用场景,该条件一般能够被满足。     

菲涅耳直边衍射的边界波处理

本文运用边界波理论对菲涅耳边衍射问题进行了研究。分别对Ｅ偏振和Ｈ偏振情况下应用的场分布用边界波理论进行了分析和计算,并将它们与严格的电磁理论作了比较。结果表明,边界波处理方法中的基尔霍夫和瑞利－索末菲理论,分别与直边衍射的严格电磁理论解中的电场分布和磁场分布符合较好,前两者在远场时一致,而在近场衍射存在差别。同时也表明,边界波处理方法具有物理图像清晰,计算简洁的特点。     

用波阵面图分析光阑衍射及其实用性举例

根据边界衍射波具有π位相跃变的性质,利用波阵面图分析了平面波或球面波经光阑的衍射。该方法不仅适用于光阑半径远大于波长时的情况,也适用于光阑半径接近于波长时的情况。从中可得到菲涅耳衍射区的许多特性。作为一个例子,提出和验证了在发散球面波入射情况下可将菲涅耳数等于1的点拉至无穷远的结论。结果证实了边界衍射波中π位相跃变的存在,并表明了其实用性。     

位相型衍射光学元件单元结构衍射因子的研究

对位相型衍射光学元件单元结构的衍射因子进行了研究,推导出相应不同的时的几种元件衍射强分布的表达式,给出相应的衍射曲线,并对此进行了分析比较。     

平面波经方环衍射后的光束质量评价

在对平面波经方环衍射后远场光强分布分析的基础上,对其光束质量作了详细研究。数值计算结果的物理分析表明,可用“桶中功率”曲线、β和 η参数评价这类环状光束的光束质量。同时也指出了这些方法的不足。     

会聚球面波通过环形光阑的光强分布

基于菲涅耳衍射积分公式,推导出了会聚球面波通过环形光阑后场分布的解析公式,并讨论了一些特殊情况.数值计算例表明,光强分布与菲涅耳数和遮拦比有关.使用轴上光强公式和近似公式对焦移计算结果的比较证明了近似公式的适用范围.     

偏振光波的矩孔矢量夫琅禾费衍射

利用瑞利—索末菲矢量衍射公式导出偏振光波矩孔矢量夫琅禾费衍射的解析计算式,通过模拟实验研究了椭圆偏振光的一般孔和亚波长孔的矢量夫琅禾费衍射情形,可应用于偏振光波偏振度检测和偏振成像等方面,表明所得计算式的有效性和可靠性,可在微光学、近场光学、衍射成像、光束传输变换以及光信息处理等方面发挥作用。     

矩孔菲涅尔衍射的光强分布

根据菲涅尔-基尔霍夫衍射积分得出矩孔菲涅尔衍射的光强分布表达式,对该表达式作了数值计算,分析了矩孔尺寸对衍射光强分布的重要影响。当光源的孔面投影位于矩孔中心且矩孔尺寸很小时光强分布具有夫朗和费衍射的特征;随着矩孔尺寸增大,在离几何照明区与阴影区边界距离相等的阴影区域内相邻光强峰值与谷值的比值越小,几何照明区出现的光强峰值越多。当光源的孔面投影不在矩孔中心时光强分布的对称性不复存在。最后计算分析了多矩孔菲涅尔衍射的光强分布。     

硬边衍射多色部分相干光束谱强度的快速计算

为了在微机上快速地计算各类被硬边光澜衍射后的谱强度,采用复高斯函数展开模拟硬边衍射效应,推导出了多色高斯-谢尔模型光束被硬边光阑衍射后谱强度的近似解析表达式,并将所得结果与传统方法(直接对交叉谱密度函数传输公式数值积分)进行了比较。结果表明,所得公式在保证计算精度的前提下,具有大大地节省计算机时的优点,以平顶高斯光束为例,证明所采用方法可同样推广用于其它光束被硬边光阑衍射后谱强度的计算。该方法具有普遍意义。     

超高斯光束经椭圆环光阑的衍射和光束质量评价

本文采用数值计算方法讨论了超高斯光束经椭圆环的的衍射现象。以桶中功率（PIB）、β参数和η参数为远场激光光束质量的评价参数,对超高斯光束经椭圆环光阑后的光束质量作了详细的研究,大量数值计算和物理分析表明,在椭圆环外径一定的条件下,超高斯光束经椭圆环衍射后的光束质量与椭圆环的遮拦比和超高斯光束的阶数有关。     

圆孔衍射成像的光子学诠释

用量子力学中关于光的粒子性观点,采用概率波对圆孔衍射成像过程进行了讨论。所得到的结论与采用光的波动性观点的惠更斯一菲涅耳原理及Fourier变换方法相同。通过分析,使我们进一步加深了对光的粒子性层面的认识。     

标量衍射理论的非傍轴修正

当光束具有较大的发散角或光束束腰可与波长相比拟时,傍轴近似不再成立.用微扰级数法处理非傍轴光束的传播问题,数值计算发现,对受硬边光阑限制的光束,由于高频分量的贡献,当传输距离较大时,高阶级数解的修正效果不好,甚至失效,级数解的有效范围将受到很大限制.在标量衍射理论角谱表示的基础上,以平面波圆孔衍射为例,给出了衍射场的非傍轴修正解,得到的非傍轴修正解避免了级数解本身在数学上的发散性问题,并在一定条件下,可过渡到级数解,并且指出在近场或非傍轴区对傍轴解进行高阶修正的必要性和有效性.