双光束任意入射各向异性涂层球的散射特性

基于广义洛伦兹-米理论,研究两个聚焦的高斯光束沿着任意方向入射单轴各向异性涂层球的散射特性。基于球矢量波函数的正交特性,推导得到双高斯光束的球矢量波函数展开表达式。通过引入傅里叶变换,求解得到各向异性涂层区域内的电磁场展开式,将涂层球各区域的电磁场用球矢量波函数展开,再结合边界条件,得到沿任意方向传播的双高斯光束入射到涂层球的散射系数和雷达散射截面。数值模拟了雷达散射截面随散射角变化的分布,将单轴各向异性涂层球退化为单轴各向异性球时的散射结果与文献进行对比,结果十分吻合。分析双光束的入射角、粒子内半径、涂层厚度与内半径的比值、电和磁各向异性对散射强度及其散射角分布的影响。该理论和数值分析能够为激光对涂层颗粒的探测、散射以及光学操作提供有益帮助。     

Airy-Gaussian光束的解析矢量结构

采用矢量角谱的方法分析了Airy-Gaussian光束的矢量结构, 运用静态相位法得出了光束远场矢量结构的解析表达式. 根据得到的TE项和TM项的解析表达式, 分别研究了TE项和TM项及整个光束的能流分布. 更好地阐明了Airy-Gaussian光束的物理图像, 从而为操控光束提供潜在的新方法. 关键词： Airy-Gaussian光束 解析矢量结构 矢量角谱法 静态相位法     

矢量涡旋光束的生成与模式识别方法

与宏观物体类似，光子等微观粒子也可携带角动量。光子的角动量包括自旋角动量和轨道角动量，两种角动量的共同作用产生了一种新型结构光束，即矢量涡旋光束。矢量涡旋光束具有各向异性的波面和偏振分布，提供了多种光场自由度，在量子技术、光通信、激光探测、激光加工、高分辨成像、光镊等前沿领域展现了巨大的应用潜力，吸引了国内外学者的广泛关注。高效地生成矢量涡旋光束，以及高精度地识别矢量涡旋光束的模式分布，是其应用的关键。本文简要回顾了国内外学者在矢量涡旋光束的生成与模式识别方面的研究工作，同时系统梳理了本文作者过去十年在该方面的研究进展，重点介绍了其相关代表性成果。     

柱矢量光束在透射时的自旋霍尔效应

有限光束矢量特性可以由全局化的特征单位矢量和广义琼斯矢量完整地描述,特征单位矢量平行于传播轴的光束为柱矢量光束。通过这种表示理论描述了在近轴近似条件下柱矢量光束的透射情况。在透射过程中光束的特征单位矢量发生了变化,透射光束的特征单位矢量既不平行于传播轴,也不垂直于传播轴。特征单位矢量的变化导致光束产生了一个与入射面垂直的横向位移,同时这个横向位移和光束的偏振椭圆率有关,不同圆偏振态(左旋和右旋)的透射光束所产生的横向位移的方向相反。这一结果和近年来在实验中检测到的均匀偏振光束的自旋霍尔效应类似,表明柱矢量光束在透射过程后也会产生光的自旋霍尔效应。     

各向异性超常材料平板透镜的聚焦特性分析

运用矢量角谱理论研究各向异性超常材料平板透镜的聚焦特性,得到了光束在平板透镜内外各区域的矢量场分布,揭示了超常材料平板透镜的聚焦特性跟材料的各向异性参数之间的定量关系,发现聚焦场的偏振态因平板透镜的各向异性特性而发生改变.作为矢量理论的具体应用,分析了光轴方向磁导率为-1,其他各向异性参数均为1的超常材料平板透镜的聚焦特性,发现此类透镜对初始沿某一横向方向偏振的光束能实现部分聚焦,并发生偏振旋转现象.     

非傍轴矢量光束二阶矩的发散特性

基于非傍轴矢量光束横截面上光强的精确表示和矢量二阶矩理论,应用严格的角谱表示的矢量衍射理论,对任意非傍轴矢量衍射光束的传输进行了系统的研究.给出了光束的束宽、横向发散角的积分表达式,论证了非傍轴矢量光束二阶矩的发散特性.对非傍轴矢量光束的束宽、发散角的定义及一些相关的问题进行了分析和讨论. 关键词： 矢量衍射理论 光束传输 矢量二阶矩 发散特性     

傍轴光束在单轴晶体中传输的矢量性质

研究了垂直光轴入射的傍轴光束在单轴晶体中传输的矢量性质.通过角谱的方法得到了寻常光（o光）和非常光（e光）在晶体中传输的严格解，并得到了傍轴近似下的矢量传输模型.利用这一模型，分析得到了垂直光轴偏振的入射光束在晶体中只激发o光，而平行光轴偏振的入射光束在晶体中同时激发e光和二阶小量的o光. 关键词： 傍轴传输 单轴晶体 矢量效应     

矢量效应对超短脉冲光束非傍轴传输的影响

从严格的矢量非傍轴传输方程出发,并通过傅里叶变换及角谱分析的方法,分析了在超短脉冲光束中,矢量效应对其在自由空间中的非傍轴传输的影响。结果表明,矢量效直对脉冲光束的标量傍轴解的修正有着重要的影响,当对脉冲光束进行非傍轴传输处理时,必须考虑它的矢量特性。基于上述分析,得到了支配超短脉冲光束传输的矢量非傍轴方程的一个完整积分解。从这个积分解出发,通过对电场进行泰勒级数展开的方法,得到了一种相对简单的方法,通过这种方法,可以从脉冲光束的已知标量傍轴解来求出矢量非傍轴波动方程的相对精确解。     

矢量光束界面反射透射的自旋霍耳效应

矢量光束的一般表示方法是利用投影矩阵和广义琼斯矢量的乘积描述.投影矩阵存在一个自由度,该自由度与有限光束的场矢量偏振状态有关,由特定的单位矢量与波矢量间的方位角决定,可以定量地描述矢量光束的偏振状态.本文在矢量光束描述的理论基础上,通过对投影矩阵进行与反射光束与透射光束传播方向相应的坐标旋转,根据麦克斯韦方程组及其边界条件,计算讨论在各向同性介质界面上反射、透射矢量光束的表示形式以及其自旋霍尔效应表现出的横向位移.线偏振光(光子自旋量为σ＝0)横向位移为零,圆偏振光束(光子自旋量为σ＝±1)位移量最大且左圆偏振与右圆偏振光束的位移大小相等方向相反,进一步分析了左圆偏振光束在界面上的反射、透射光束的横向位移与入射角的关系.     

矢量可控空心光束的非傍轴传输

提出了矢量可控空心光束概念,可控空心光束可以很好地描写中心光强不完全为零的圆对称窄心光束,具有可用多个参最米控制中央暗斑尺寸、形式简单易于分析、其传输变换特性更接近于实际等特点.利用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,导出了矢量可控空心光束的非傍轴传输解析公式,从所得结果可退化得到傍轴近似结果.利用导出的公式计算分析了矢量可控空心光束在自由空间的非傍轴传输特性,并与傍轴结果进行了比较分析.结果表明矢量可控空心光束在近场很好地保持其空心光场分布特性;参量f和传输距离决定了矢量可控空心光束的非傍轴特性.     

不同能量下环形高斯强激光光束在空气中的非线性传输

以线性传输模型为对比研究了不同初始能量的环形光束在空气中的非线性传输。结果显示,在传输初始阶段,非线性克尔效应减弱了线性空间啁啾导致的聚焦作用。线性聚焦使能量向光轴方向流动导致强光强核心,在光轴附近生成类高斯脉冲结构,增强了非线性自聚焦效应,导致光强急剧增加形成光丝。环形光束的初始能量的大小能够影响自聚焦焦距、光丝长度和光强通量。自聚焦焦距随着初始脉冲能量的增加而减小,但自聚焦焦距与初始功率的开方不成反比（这点与高斯光束不同）。光丝长度随着初始脉冲能量的增加而增加。轴上光强通量随初始脉冲能量的增加而增加。     

高效产生任意矢量光场的一种方法

提出一种高效产生任意矢量光场的方法.利用两个光束偏移器分别对两个正交线偏振分量进行分束与合束,将传统激光模式转化为任意矢量光场.所产生矢量光场的偏振态和相位分布通过相位型空间光调制器(SLM)加载相应的相位实时调控.由于光路系统中不涉及任何衍射光学元件和振幅分光元件,光场转换效率高,仅取决于SLM的反射率,并且光路系统结构紧凑、稳定,同轴性易于调节.实验结果显示,采用反射率为79%的相位型SLM产生矢量光场的转换效率可达到58%.     

Paraxial propagation of cosh-Airy vortex beams in chiral medium

Propagation dynamics of the cosh-Airy vortex(CAiV) beams in a chiral medium is investigated analytically with Huygens–Fresnel diffraction integral formula. The results show that the CAiV beams are split into the left circularly polarized vortex(LCPV) beams and the right circularly polarized vortex(RCPV) beams with different propagation trajectories in the chiral medium. We mainly investigate the effect of the cosh parameter on the propagation process of the CAiV beams.The propagation characteristics, including intensity distribution, propagation trajectory, peak intensity, main lobe's intensity, Poynting vector, and angular momentum are discussed in detail. We find that the cosh parameter affects the intensity distribution of the CAiV beams but not its propagation trajectory. As the cosh parameter increases, the distribution areas of the LCPV and RCPV beams become wider, and the side lobe's intensity and peak intensity become larger. Besides, the main lobe's intensity of the LCPV and RCPV beams increase with the increase of the cosh parameter at a farther propagation distance, which is confirmed by the variation trend of the Poynting vector. It is significant that we can vary the cosh parameter to control the intensity distribution, main lobe's intensity, and peak intensity of the CAiV beams without changing the propagation trajectory. Our results may provide some support for applications of the CAiV beams in optical micromanipulation.     

Propagation properties of vector Mathieu-Gauss beams

The vector Helmholtz-Gauss (vHzG) beam is known as a general family of localized vector beam solutions of the Maxwell equations in the paraxial limit and the vector Mathieu-Gauss beam constitutes its version in elliptic cylindrical coordinates system. In this work, starting from the expansion of the scalar Mathieu-Gauss beam in term of Bessel-Gauss beams, we give a general expression of vector Mathieu-Gauss beams in cylindrical coordinates. Within the frame work of the Collins diffraction integral formula we derive the analytical expressions of transverse vector Mathieu-Gauss beams through an axisymmetric ABCD optical system. Some numerical calculations are performed to illustrate the propagation of the vector Mathieu-Gauss beam in free space and through a simple lens system. The results are analyzed and discussed.     

Propagation of cylindrical vector beams in a turbulent atmosphere

<正>Based on the extended Huygens-Presnel principle,the propagation of cylindrical vector beams in a turbulent atmosphere is investigated.The intensity distribution and the polarization degree of beams on propagation are studied. It is found that the beam profile has a Gaussian shape under the influence of the atmospheric turbulence,and the polarization distribution shows a dip in the cross section as the beam propagates in the turbulent atmosphere.It is also found that the beam profile and the polarization distribution are closely related to beam parameter and atmospheric turbulence.     

Propagation of non-paraxial nonsymmetrical vector Gaussian beam

A model of non-paraxial nonsymmetrical vector Gaussian beam has been presented in this paper. Based on the property of Fourier transform and the non-paraxial vector moment theory of light beam propagation, the analytical propagation of this model beam has been systemically investigated. The results reveal that both the transversal beam widths follow a simplest hyperbolic propagating law. The analytical formulae are discussed at highly non-paraxial case, paraxial case, and special cases, respectively. The non-symmetry of the initial transversal amplitudes affects slightly on the propagation. While, the influences of non-symmetry caused by the initial transversal Gaussian half widths on propagation are remarkable. This research is helpful to evaluate the propagation of semiconductor laser beams.     

Vectorial partially coherent flat-topped beams and their nonparaxial propagation

The concept of vectorial partially coherent flat-topped beams is proposed, and their nonparaxial propagation in free space is studied in detail. Based on the vector Rayleigh diffraction integral formulae, the analytical propagation expressions for the cross-spectral density matrix of the polarized vectorial nonparaxial partially coherent flat-topped beams are derived and applied to study the nonparaxial propagation properties of vectorial partially coherent flat-topped beams. The effect of propagation parameters on the intensity and the coherence property of the nonparaxial vectorial partially coherent flat-topped beam is illustrated and analyzed comparatively with the corresponding paraxial results.     

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。