激光光路追踪Wigner分布函数方法

提出了一种考虑衍射效应的激光几何光路追踪方法。引入由激光标量场定义的Wigner激光能量相空间分布函数,并给出该函数满足的刘维尔运动方程。Wigner分布函数用来描述经过空间任一点沿任一方向传输的激光光线上的能量分配。激光能量沿由波包色散关系定义的光线轨迹保持不变（真空中）或者衰减（等离子体中）。与传统几何光路追踪方法相比,该方法从理论上给出了激光光线初始携带能量份额的计算方法,并且将激光标量场的相位信息自然地包含在Wigner分布函数的定义里。算例表明,该方法与解析模型及广泛使用的菲涅耳衍射积分方法结果一致。     

三维谐振子Wigner函数的星乘解

Wigner函数作为相空间中的一个准概率分布函数,也是密度矩阵的特殊表示形式,具有十分重要的物理意义。首先介绍了Wigner函数的性质及其计算方法,然后利用星本征方程(Moyal方程)计算了三维谐振子的Wigner函数。最后讨论了在相空间中描述声子与电子(或光子)相互作用的方法,并得到了跃迁几率在相空间中所满足的方程。     

基于光路追踪方法的激光交叉束能量转移模型

提出一种基于几何光路追踪方法并可在流体模拟程序中实现在线计算的激光交叉束能量转移(CBET)耦合模型。借助由激光逆轫致吸收公式引入的泵浦激光功率密度在流体网格尺度上的计算公式,该模型可计算探针激光束中每根光线所携带的能量经过与泵浦激光场相互作用带来的损失(或增加),从而实现激光能量在束间的转移。反复迭代的计算方法解决了由于激光束间能量转移与光线历史相关并且束间强耦合带来的方程求解困难。模型很容易推广到多束激光束两两能量交换的情形,也可用于研究逆轫致吸收和激光等离子体相互作用等物理内容。     

双模压缩数态光场的Wigner函数及其特性

借助纠缠态表象及Wigner算符在该表象下的表示,得到双模压缩数态的Wigner函数,数值计算画出相空间中Wigner函数的分布图,并加以分析,发现双模压缩数态两模之间相互关联、相互纠缠,对相空间中Wigner函数分布产生影响. 关键词： 双模压缩数态 Wigner函数 纠缠态表象     

激光束整形光学系统的设计与研究

提出了一种改善激光投线仪光束均匀性的新方法,该方法运用几何光线追迹的原理,对激光束通过带孔柱透镜的光路进行了计算,模拟了柱透镜内孔在不同大小、形状、透镜介质折射率等参数下的光束远场能量分布,获得了能量分布均匀的远场激光线.     

激光系统三维放大计算模型研究

基于激光脉冲在增益介质中的放大过程建立了三维放大模拟计算模型,该模型将自由空间传输与光线追迹放大相结合。在增益介质内抽运储能分布具有三维特点、离轴多程放大结构等复杂情况下,该模型能真实模拟放大后输出光束的近场分布。利用该三维放大模型针对一个12程激光二极管抽运钕玻璃放大系统进行模拟计算,计算结果准确地反映了输出光束近场分布。在此模拟结果的基础上能进一步优化多程放大光路。     

在r-z柱坐标系中的三维光路追踪

编制了一个新的三维光路追踪程序，它可计算任意方向的光线通过网格的轨迹，这个程序将更准确地模拟真实的激光光束在柱型腔靶中的三维传播。     

基于空间光调制器的光束大角度扫描技术研究

为实现一束激光在90°锥形范围内的扫描,利用液晶空间光调制器在光束偏转控制时精度高、无机械惯性等优点,研究并建立了基于液晶空间光调制器的光束偏转和角放大光路系统。提出了空间光调制器的可编程相位调制算法和角放大光路结构,推导了空间光调制器光束偏转角度与相位灰度驱动图的关系,设计了角度放大倍率高于22倍的角放大光路系统。在此基础上,建立了光束扫描控制实验系统,对该装置角度出射范围进行了测量,将实际的角放大倍率与设计值进行对比。实验结果表明:研制系统的出射视场角可达91.22°,并可通过畸变校正实现出射视场角范围内的规则形状扫描。该研究在光束敏捷控制、无线激光通信、目标搜索与追踪等领域具有重要的研究价值和应用前景。     

相对论带电费密子Liouville方程

作为密度矩阵一种形式的Wigner函数是量子相空间里的分布。用它描述相对论费密子时,它的通常表达形式为4×4矩阵函数。本文得到相对论带电费密子的2×2矩阵形式的Wigner函数以及它所满足的Liouville方程。这一方程与量子电动力学里带电费密子满足的Dirac方程完全等价。在描述中能核碰撞的Walecka模型里,当只有矢量介子(或标量介于取平均场近似)时,核子满足一定形式的Dirac方程。本文的方程也与之等价。还证明了(2×2)Wigner函数与相对论费密子的波函数在描述量子体系上起着同样的作用。量子体系的可观察量的全部知识都可以通过这里的Wigner函数得到。 关键词：     

粗糙海面对高斯分布激光光束的反射模型推导

研究激光光束海面反射光强的方向分布特性对海上光电对抗等领域的工程实践具有重要意义.本文采用分形方法模拟粗糙海面,并在海面基准坐标系中建立起描述粗糙海面几何特征的数学方程,然后基于蒙特卡罗方法模拟高斯光束,依据几何光学原理在基准坐标系下推导了高斯光束的海面反射模型,采用该模型可以编程计算激光光束海面反射光强的方向分布.将模拟计算结果与实验结果进行了对比分析,结果表明该模型可以较好地反映激光光束海面反射光强的分布趋势,验证了模型的有效性.     

Numerical propagation of partially coherent laser beams through optical systems

The propagation of partially coherent beams through optical systems is computed numerically in one transverse dimension. The optical system is divided into different elementary segments, through which the propagation of light can be calculated by appropriate operators, working on the coherence function or the Wigner distribution function respectively. For the necessary changes between these two functions describing the partially coherent beams, the use of the remarkable z-transform seems to be an advantage. With this algorithm the grid and the resolution in the spatial frequency domain can be arbitrarily chosen in contrast to the usual Fourier transform, the influence of phase aberrations on the focusability of Gauss-Schell model beams is discussed as an application example of the numerical model. With the help of this tool, practical beam guiding systems can be simulated for use with multimode laser radiation.     

Approximate analytical representation of Wigner distribution function for Gaussian beams passing through ABCD optical systems with hard aperture

Based on the treatment that a rectangular function can be expanded as an approximate sum of complex Gaussian functions with finite numbers, the analytical expression of the Wigner distribution function for a Gaussian beam passing through a paraxial ABCD optical system with hard-edged aperture is obtained. By numerical simulation, it is shown that the effect of the aperture on the Wigner distribution function is prominent. By comparing the analytical results with the numerical integral results, it is shown that this method of expanding hard-edged aperture into Gaussian functions with finite numbers is proper and ascendant. This method could be extended to study the Wigner distribution functions of other light beams passing through a paraxial ABCD optical system with hard-edged aperture.     

EPR light beams and non-Gaussian quantum distributions in the time domain

We investigate time-dependent properties of Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) light beams generated in nondegenerate optical parametric oscillator (NOPO) driven by a sequence of laser pulses with Gaussian time-dependent envelops. The peculiarities of EPR beams are discussed on the base of quadrature squeezing and also in the framework of phase-space Wigner functions for EPR beams which are combined on a half beam splitter. We also investigate the Wigner functions of intensity-correlated twin beams following the conditional photon state-preparation scheme. It is demonstrated that the Wigner functions involve negative values in parts of the phase space for the schemes with one-, two-, and three-photons.     

非Lamb-Dicke近似下制备囚禁冷离子的振动相干态

根据非Lamb-Dicke近似下激光-离子相互作用动力学规律,讨论了如何利用一系列的激光脉冲来驱动冷离子,从而从运动基态出发获得一系列振动数态的宏观叠加态.具体研究了这些叠加态的Q函数、Wigner函数和它们的非经典特性,如压缩和反群聚效应等.结果表明,合适地调节各个所用激光的脉冲长度,所产生的叠加态能很好地逼近熟知的振动相干态. 关键词： Lamb-Dicke近似 叠加态 相干态 非经典特性     

基于Wigner分布函数的光学元件评价方法

为了有效地表征和评价光学元件局部小尺度波前畸变,提出了能同时反映空间频率和空间位置的Wigner分布函数评价方法。通过理论分析Wigner分布函数与功率谱密度之间的关系,得到了局部波前畸变的评价方法和指标。模拟计算和实验结果验证了该方法的有效性,并表明:该方法不但能判断光学元件的中频误差是否满足惯性约束聚变系统要求,而且还能确定不满足要求的特定区域,从而有效地指导光学元件的返修。     

基于焦散线方法的自加速光束设计

以艾里光束为代表的自加速光束是一类在自由空间中具有弯曲传播特性的新型特殊光束.这类光束因其具有无衍射、自加速和自修复等奇异特性引起了人们的广泛关注,有望应用于光学微粒操控、激光微加工、全光路由和超分辨成像等诸多领域.由于艾里光束只能沿着抛物线的轨迹传播,限制了其在实际应用中的灵活性,因而设计出能够沿着不同轨迹传播的自加速光束是这一研究领域的关键问题,而基于焦散线方法的自加速光束设计是解决该问题的有效途径之一.这一方法是将设计的传播轨迹与光学焦散线联系起来,通过分析形成该焦散线所需的光线簇构造出对应的初始场分布.基于该原理并经过不断发展,不同类型的自加速光束相继得以实现,并且借助维格纳函数还可以同时实现实空间和傅里叶空间的自加速光束设计,为自加速光束的应用提供了更多的可能性.本文对基于焦散线方法的自加速光束设计原理和进展进行全面介绍.     

Three-dimensional Wigner-function description of the quantum free-electron laser

A free-electron laser (FEL) operating in the quantum regime can provide a compact and monochromatic x-ray source. Here we present the complete quantum model for a FEL with a laser wiggler in three spatial dimensions, based on a discrete Wigner-function formalism taking into account the longitudinal momentum quantization. The model describes the complete spatial and temporal evolution of the electron and radiation beams, including diffraction, propagation, laser wiggler profile and emittance effects. The transverse motion is described in a suitable classical limit, since the typical beam emittance values are much larger than the Compton wavelength quantum limit. In this approximation we derive an equation for the Wigner function which reduces to the three-dimensional Vlasov equation in the complete classical limit. Preliminary numerical results are presented together with parameters for a possible experiment.     

Weyl Ordering Symbol Method for Studying Wigner Function of the Damping Field

The symbolic method (including normal ordering. antinormal ordering and Weyl ordering symbol) is usually utilized to tackle miscellaneous operators which have different commutative relations. Considering the Weyl ordering symbol’s remarkable properties, we have efficiently and conveniently derived the Wigner distribution function for field damping in a squeezed bath and a vacuum bath respectively, and then examined the decoherence processes from the plots of Wigner function and its contour in quantum phase space. Alternatively, we can employ a general Wigner operator under phase space transform to calculate distribution function and discuss the damping process.