非傍轴高斯光束传输特性的研究

基于非傍轴矢量光束横截面上光强的严格定义〈S_z〉,采用桶中功率定义光束的束宽、远场发散角以及M²因子. 以非傍轴矢量高斯光束为例,对光束的传输特性进行了详细的理论分析和数值计算,并与非傍轴标量理论的结果进行了比较分析. 研究表明,光源半宽ω₀/Λ<1时,传输特性的矢量描述与非傍轴标量描述有显著差别,随着ω₀/Λ的增大,两者趋于一致,并逐步过渡到 关键词： 非傍轴高斯光束 桶中功率 束宽 发散角     

任意线偏振高斯光束的非傍轴传输

运用非傍轴光束传输的矢量矩理论，对任意线偏振高斯光束的非傍轴传输进行了系统的研究，给出了定量计算偏振对束腰、横向远场发散角和光束传输因子贡献的解析通式. 并对高度非傍轴和傍轴两种极端情形，简化了相应的计算式. 在高斯光源线度趋向于零的极限情形下，两个横向的最大发散角均为90°，与偏振态无关. 在高度非傍轴情形下，可以通过所给出的解析通式设计高斯光源的半宽度与激射光波长之比值以及线偏振态来达到所期望的光束传输特性. 对于傍轴情形，不同偏振对束腰和横向远场发散角稍有影响，但这种影响一般可以忽略不计；而光束传输因子却始终保持不变，与偏振态无关. 若介于这两种极端情形之间，则可以根据高斯光源的半宽度之值和所期望的计算精度，确定解析式中级数的项数进而确定任意线偏振高斯光束的非傍轴传输特性. 关键词： 高斯光束 非傍轴传输 偏振 二阶矩     

非傍轴矢量高斯光束的传输

运用非傍轴光束传输的矢量矩理论，对非傍轴矢量高斯光束的传输特性进行了系统的研究.结果表明，基于二阶矩定义的横向光束宽度在光束传播过程中满足简单的双曲线变化规律，并且给出了光束传输因子的解析表达式.就高度非傍轴情形，进一步给出了简洁的计算公式，在高斯光源线度趋向零的极限情形下，横向的最大发散角为90°.同时，还推广到了傍轴情形，得到了与原有傍轴公式稍有区别的结果，而且光束传输因子始终保持略大于1最后，对非傍轴矢量高斯光束和非傍轴标量高斯光束的传输进行了比较，结果显示对于线度在两个波长范围之内的高斯光源发散 关键词： 矢量高斯光束 光束传输 非傍轴 二阶矩     

矢量非傍轴离轴高斯光束的传输

基于矢量瑞利-索末菲衍射积分公式，得出了波动方程的一个解，它代表矢量非傍轴离轴高斯光束，其在自由空间的传输方程表示为解析的结果.矢量非傍轴离轴高斯光束的轴上和远场公式，矢量非傍轴高斯光束的传输方程，以及傍轴的结果都可作为一般表达式的特例而得出.研究表明，f参数对光束的非傍轴特性有重要影响，而离心参数也影响非傍轴行为.与共轴情况不同的是，对离轴情况，在y方向存在场的纵向分量. 关键词： 激光光学 矢量非傍轴离轴高斯光束 瑞利-索末菲衍射积分 f参数 离轴参数     

非傍轴高斯光束通过方环硬边光阑的传输特性研究

利用矢量Rayleigh积分公式研究了非傍轴高斯光束通过方环硬边光阑的传输,得到了衍射场分布的解析表达式.和傍轴传输相比较,该结果具有更广泛的适用性.以桶中功率为光束质量评价函数,讨论了遮拦比、截断参数对远场光束质量的影响.结果表明,环形光阑的尺寸决定着非傍轴光束远场能量分布的集中程度,截断参数和遮拦比的增大都会导致非傍轴高斯光束衍射效应增强,从而远场能量发散.     

高斯涡旋光束的傍轴度

按单色光束傍轴度的定义,对高斯涡旋光束的傍轴度进行了研究.使用角谱表示法推导出高斯涡旋光束傍轴度的解析公式,用此研究了傍轴度和高斯涡旋光束参数之间的关系.结果表明,随背景高斯光束束腰宽度和光涡旋离轴参数的增加及随光涡旋拓扑电荷的减少,高斯涡旋光束的傍轴度增加.对所得结果用傍轴度与远场发散角间的关系做了物理解释.     

高斯涡旋光束的傍轴度

按单色光束傍轴度的定义,对高斯涡旋光束的傍轴度进行了研究。使用角谱表示法推导出高斯涡旋光束傍轴度的解析公式,用此研究了傍轴度和高斯涡旋光束参数之间的关系。结果表明,随背景高斯光束束腰宽度和光涡旋离轴参数的增加及随光涡旋拓扑电荷的减少,高斯涡旋光束的傍轴度增加。对所得结果用傍轴度与远场发散角间的关系做了物理解释。     

非傍轴洛伦兹光束的传输特性研究

基于光强二阶矩理论,推导出非傍轴洛伦兹光束的远场发散角、近场发散角、束腰宽度以及光束传输因子的解析表达式,并通过数值模拟,得到它们与对应束腰宽度以及波长的关系。结果表明:与非傍轴高斯光束相比,在满足二极管激光器物理机制的条件下,非傍轴洛伦兹光束更符合二极管激光束的实际情况,因此,非傍轴洛伦兹光束更适用于描述二极管激光器等光源尺寸小且发散程度较大的激光光源。     

非傍轴贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输

从瑞利-索末菲衍射积分出发,推导出任意阶非傍轴贝塞尔-高斯光束在自由空间传输的解析表达式.非傍轴贝塞尔光束和非傍轴高斯光束等的传输方程都可以作为本文一般结果的特例而得出.物理分析和数值计算表明,当高斯和贝塞尔部分的横向尺度与波长相比拟或小于波长时,应当用非傍轴方法处理.     

拉盖尔-高斯光束傍轴度的变化

以拉盖尔-高斯(L-G)光束为例,详细研究了单色光束傍轴度的变化.结果表明,模指数、相对束腰宽度等光束参数的变化,通过近轴ABCD光学系统的传输,以及光阑衍射都会引起光束傍轴度的变化.但是,在自由空间中传输时,光束的傍轴度不变.对上述结果以数值计算例加以说明,并用光束傍轴度与远场发散角间的联系做了物理解释. 关键词： 傍轴度 远场发散角 拉盖尔-高斯光束     

Off-Axis Astigmatic Gaussian Beam Combination Beyond the Paraxial Approximation

Taking the off-axis astigmatic Gaussian beam combination as an example, the beam-combination concept is extended to the nonparaxial regime. The closed-form propagation expressions for coherent and incoherent combinations of nonparaxial off-axis astigmatic Gaussian beams with rectangular geometry are derived and illustrated with numerical examples. It is shown that the intensity distributions of the resulting beam depend on the combination scheme and beam parameters in general, and in the paraxial approximation （i.e., for the small f-parameter） our results reduce to the paraxial ones.     

傍轴高斯光束在强非局域介质中的传输特性

运用变分法研究了傍轴高斯光束在三维轴对称强非局域介质中的传输特性,得到了光束各参量的演化方程、一个势函数、一个临界功率和一个由强非局域介质特性与初始束宽决定的特征参量ε。通过对势函数的进一步分析,结果表明,作为强非局域模型,必须满足0≤ε<1/3。在此前提下,当初始功率等于临界功率时,可以得到稳定的空间孤子;对于一般情形,束宽则作周期性压缩或展宽变化,也可能将不断展宽。该结果与数值解基本一致。     

高斯光束在梯度折射率纤维中的传播—振幅与光斑分布的解析解族

从近轴波动方程出发，导出在梯度折射率纤维中传播的高斯光束振幅与光斑分布的解析解族。从这一结果可得到高斯光束在抛物型、锥形、类锥形梯度折射率纤维中传播的一系列特解。     

非球面系统中高斯光束传输的数值计算

高斯光束的理论公式从整体上描述了光束的传输特性,但并没有描述光束内每一光子的传播行为。基于高斯光束的单叶双曲面特性,建立了一个新的高斯光束光子传输模型。该模型将高斯光束视为由无数个共轴单叶双曲面构成的双曲线体,光子传播方向是在过该光子初始发射点的双曲面的两条直母线中等概率选择。基于该模型,通过计算大量光子经光学系统的传播轨迹可获得高斯光束的几何构形、光强分布、光子光程分布及其传播方向。对实际非球面光学系统的计算结果充分验证了该方法可全面、准确地模拟高斯光束的传输特性,且数值计算效率高。     

空心高斯涡旋光束的远场特性

基于角谱法和稳相法,推导出了空心高斯涡旋光束的TE波和TM波在自由空间远场传输和能流密度的解析表达式,研究了其相位奇点和能流密度分布。结果表明,空心高斯涡旋光束的远场特性主要跟控制参数有关。改变光束中的涡旋离轴量,光涡旋和能流密度黑核会发生移动。圆刃型位错线的半径和能流密度暗环位置跟束腰宽度有关,而能流密度的对称性主要受涡旋离轴量的影响。     

非稳腔氧碘激光器近场杂散光传输特性

氧碘高能激光近场存在较多的杂散光,这些光会严重影响光束传输和光束质量控制。通过对杂散光的产生机理、类型和传输规律的分析和模拟确定了不同类型杂散光的测量方法。利用两个能量计测量了30m通道自由传输时的传输效率,利用测试光阑获得了通道内杂散光角谱曲线和镜面散射光能量。实验表明30m通道自由传输时的能量损失约为5.2%,杂散光的角谱随着传输距离的增加逐渐增大,角谱也会随着光束质量的恶化显著增加。利用角谱曲线可以获得通道内任意位置处光阑上的热负荷,这为高能激光热管理技术奠定了坚实的基础。     

Analytical Solutions for the Two-Dimensional Gross-Pitaevskii Equation with a Harmonic Trap

Both the homotopy analysis method and Galerkin spectral method are applied to find the analytical solutions of the two-dimensional and time-independent Gross-Pitaevskii equation,a nonlinear Schrdinger equation used in describing the system of Bose-Einstein condensates trapped in a harmonic potential.The approximate analytical solutions are obtained successfully.Comparisons between the analytical solutions and the numerical solutions have been made.The results indicate that they are agreement very well with each other when the atomic interaction is not too strong.     

Propagation Characteristics of a Partially Coherent Gaussian Schell-model Array Vortex Beam in the Joint Turbulence Effect of a Jet Engine and Atmosphere

This work investigates the joint effects of jet engine exhaust-induced turbulence and atmospheric turbulence on the propagation of a partially coherent Gaussian Schell-model Array (GSMA) vortex beam. Using the two-process propagation method, analytical formulae are derived for the cross-spectral density, spectral density, degree of coherence, and beam width of the considered beam. The results show that the considered beam takes different shapes; when the spatial coherence is large, the spectral density of the GSMA vortex beam takes an elliptical shape, whereas when the spatial coherence is smaller, the spectral density remains a Gaussian shape. The evolution profile of the degree of coherence weakens gradually when the propagation distance, topological charge, and turbulence strength increase. Moreover, the profile of the degree of coherence takes the Gaussian profile when the propagation distance is longer or turbulence atmospheric is stronger. Furthermore, the results reveal that the corresponding beam spreads faster with a larger propagation distance, lower spatial coherence, and high-strength turbulence. This study also concludes from the results that the beam is affected more when its propagation is near the jet engine exhaust, which means that this latter has a significant impact.     

Exact expression for the projected energy

The angle integrated exact expression for the projected energy is derived from two different expansions of the rotation operator. In one, the spin matrix polynomial expansion method is used while in the other the disentangling theorem for angular momentum operator is used.