径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束及其传输特性

近年来,携带扭曲相位的部分相干光束因其独特的性质受到广泛关注。引入一种同时携带扭曲相位和具有特殊空间关联结构的部分相干矢量光束,即径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束,推导了该光束通过ABCD光学系统后的交叉光谱密度矩阵元解析表达式,并研究了它的归一化光强分布、光谱相干度和光谱偏振度的演化特性。研究结果表明,当无扭曲相位时,径向偏振矩形多高斯-谢尔模光束的光强由源平面的空心圆环轮廓逐渐演变成矩形平顶轮廓。相较而言,径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束所携带的扭曲相位不仅会引起光束光斑的旋转,还会引起传播过程中光束的相干度和偏振度的一系列变化。该研究结果为扭曲相位实现新型矢量结构光束的调控提供一定的理论指导,在光束整形、光学微操纵和自由空间光通信等领域有着潜在的应用。     

多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤中的轨道角动量演化

轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)的引入丰富了光通信领域内的调制维度,为寻找更高效快捷的通信方式提供了新思路,相较于传统携带涡旋相位的涡旋光束,部分相干扭曲光束携带的OAM性质更为复杂。本文针对椭圆多高斯关联扭曲光束在梯度折射率(gradient-index, GRIN)光纤中的OAM传输,基于GRIN光纤的ABCD光学传输矩阵,着重分析了多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤传输的OAM的传输演化特性。研究结果表明,光束的光强、OAM通量密度以及归一化OAM通量密度在光纤传输过程中均呈现周期性变化,通过对关联结构以及扭曲因子的调控不仅可以改变光束OAM通量密度的分布,还可以调控单光子携带OAM的大小。本文的研究有助于丰富扭曲部分相干光束在GRIN光纤中传输的理论结果,在光纤通信中具有潜在的应用前景。     

径向偏振部分相干扭曲光束在各向异性大气湍流中的传输特性

本文推导径向偏振部分相干扭曲光束(RPPCTB)在各向异性大气湍流中传输因子和空间扩展的解析表达式,主要分析扭曲因子等光束参数及各向异性因子等大气湍流参数对光束传输特性的影响,通过相应的数值模拟计算分析初始相干长度、束腰宽度、波长、扭曲因子、各向异性因子、湍流内尺度、湍流外尺度和广义指数参数对光束传输质量的影响.仿真结果表明,通过减小光束的初始相干长度,增加束腰宽度和波长,可以提高光束的传输质量,而增大光束的扭曲因子,光束有更小的传输因子,这表明通过合理地调控光束的扭曲相位,可以有效提高光束的抗湍流能力.     

高斯谢尔模光束通过ABCD光学系统的偏振特性

推导了高斯谢尔模光束通过ABCD光学系统的交叉谱密度矩阵，研究了该条件下光谱偏振度的变化情况。比较研究了高斯谢尔模光束通过自由空间和聚焦光学系统的情况。研究表明，在自由空间中传输足够远的距离后光谱偏振度将达到稳定，在聚焦光学系统中光谱偏振度在焦面位置附近有明显的起伏变化，两者都与光源参量的选择有关。特别指出，位于焦面上...     

扭曲多高斯光束在梯度折射率光纤中的传输特性

为了得到一种新型椭圆扭曲多高斯-谢尔模(TMGSM)光束, 采用Mercer模式展开的方法进行了理论分析和验证, 证明了多高斯-谢尔模关联结构可携带扭曲相位, 详细研究了其在梯度折射率光纤中传输时的光强和相干度演化。结果表明, 椭圆TMGSM光束在梯度折射率光纤中传输时, 光强和相干度分布随着传输距离的增加发生周期性旋转, 并在0.5L(L为周期)的整数倍处偏转π/2, 其旋转角速度呈非线性变化且与扭曲因子的大小有关; 增大多高斯模数, 焦平面处光强分布的平顶区域增大, 相干度分布轮廓变小。此研究结果在光纤通信、聚焦成像、光学捕获等方面具有潜在的应用前景。     

椭圆厄密-高斯光束的轨道角动量密度分布

在简述傍轴条件下光束轨道角动量密度一般计算的基础上,运用张量方法,对椭圆厄密高斯光束的轨道角动量密度进行了理论分析,得到了计算该种光束的轨道角动量密度分布的公式,并在不同参数条件下通过数值模拟给出了直观的密度分布结果.     

Compton散射对光子晶体中光束自陷的影响

用相干函数法研究了Compton散射下圆形部分相干光束在全内反射光子晶体中的自陷行为。研究发现,散射使光谱中非相干成分和衍射效应降低,形成孤子的几率提高。传输中孤子振荡幅值、压缩程度、变化周期、半径均比散射前小,相干半径比散射前大,自聚焦起主导作用。     

弱湍流大气中部分相干涡旋光束的轨道角动量特性

根据轨道角动量谱理论,推导了部分相干拉盖尔-高斯光束轨道角动量态的功率表达式。分析了相干长度、束宽对轨道角动量的影响,讨论了弱湍流大气中部分相干-拉盖尔高斯光束轨道角动量特性。结果表明:部分相干拉盖尔-高斯光束在相干长度与束腰半径比值固定的情况下,其初始轨道角动量态相对功率不会随着束腰半径的改变而变化。在部分相干拉盖尔-高斯光束初始相干长度与束腰半径取值大小相同的情况下,随着束腰半径的增大,光束在弱湍流大气中传输1 km处的初始轨道角动量态相对功率减小。     

部分相干径向偏振扭曲光束在非均匀大气湍流中的传输特性

利用扩展的Huygens Fresnel原理以及维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)的二阶矩理论,推导出部分相干径向偏振扭曲光束(partially coherent radially polarized twisted beam,PCRPTB)在非均匀大气湍流中的M2因子、空间扩展和角扩展的解析式。通过相应的数值模拟计算分析了初始相干长度、束腰宽度、波长、天顶角、扭曲因子、湍流内尺度等对光束传输质量的影响。研究表明具有扭曲相位的PCRPTB展现出更强的抗大气湍流的能力,且扭曲因子越大,光束抗大气湍流的能力越强。而且减小初始相干长度,增大束腰宽度,波长也可以有效降低PCRPTB在大气湍流中的相对M2因子,使光束具有更强的抗大气湍流的能力。研究还可以发现,PCRPTB在湍流内尺度与广义指数参数较大的大气湍流中以一个更小的天顶角传输,其相对M2因子更小,表明大气湍流对PCRPTB的影响更小。     

离轴多涡旋-高斯光束在负折射率介质中的传输特性

不同涡旋个数和拓扑荷的多涡旋-高斯光束具有不同光强和相位分布。当涡旋个数增大时,涡旋奇点个数增加,统计束宽也增大。利用分步傅里叶法数值模拟了多涡旋-高斯光束在负折射率非局域介质中的传输,发现涡旋点关于原点不对称或各涡旋点的拓扑荷不相等都可以改变孤子的传输方向,因此通过改变涡旋点位置和拓扑荷数可以实现光束传输方向的控制。若涡旋点虚部的符号发生改变,孤子的旋转方向也发生改变。此外,孤子的临界功率和轨道角动量都会随着拓扑荷的增加而增大。因此,可以通过涡旋点位置﹑涡旋点个数和拓扑荷的方式对光束信息进行编码,使光束在介质中传输时携带更多容量的信息。     

部分相干平顶高斯光束通过透镜的聚焦特性

利用惠更斯-菲涅尔衍射积分公式导出了部分相干平顶高斯光束(PCFGB)经过ABCD光学系统的传输公式.进一步导出了PCFGB经透镜聚焦后的任意z处、焦面处、聚焦场轴上的光强分布公式和等效束宽传输公式,并进行数值计算及分析.研究结果表明,PCFGB经透镜聚焦后的传输过程中,光强分布的平顶部分不会消退,并随着阶数N增加和菲涅耳数Nw减小,等效束宽增大,平顶化程度越好;任意z截平面处的光强和焦移量与阶数N无关,但随Nw的增加,其光强成倍增大、焦移量却减小.     

扭曲高斯-谢尔模型光束通过有限尺寸透镜的聚焦特性

用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分对扭曲高斯-谢尔模型光束通过有限尺寸透镜的聚焦特性作了详细研究。数值计算结果表明,扭曲高斯 谢尔模型光束的聚焦特性与系统菲涅耳数、光束截断参数、光束相干参数以及扭曲参数等有关。     

高阶空间电荷场对匹配高斯光束自偏转特性的影响

通过数值模拟的方法,研究了高阶空间电荷场对匹配高斯光束在光伏光折变晶体中自偏转特性的影响。结果表明,对于给定的与晶体参量匹配的高斯光束,高阶空间电荷场对其自偏转特性的影响与外电场和光伏场的极性和强度,以及入射光束的强度有关。当外电场、光伏场、入射光束的强度取不同的参数组合时,就可以控制高斯光束的偏转程度,在三者特定的参数组合下,还可以实现高斯光束偏转方向的改变,进而实现高斯光束的无偏转稳定传播。     

大气湍流对拉盖尔-高斯光束传播质量的影响

为了从系统的角度研究大气湍流对涡旋光束传播 质量的影响,根据广义惠更斯-菲涅尔积分和Kolmogorov湍流大气原理,利 用傅里叶光学分析方法和光束分步传播法对携带有轨道角动量(OAM)的 拉盖尔-高斯(LG)光束在湍流大气中的传播进行理论分析与数值仿真, 导出角谱形式的衍射模型及其对应的抽样限制条件。利用桶中功率(PIB,power in bucket)计算方法,分析湍流强度对不同OAM值的LG光束质量的 影响;引入高斯光束和点光源,对比评估典型光束的抗湍流能力。数值仿真结果表明:受大 气湍流影响,随着LG光束在湍流大气 中传播距离增加,光束会聚能力变弱有明显扩散;光束本身特有的环状光强分布及其相应的 相位分布都受到不同程度的破坏,损伤 程度与光束本身携带的OAM数有关;点光源对湍流的影响最为敏 感;高斯光束具有与小OAM值的LG光束相比拟的抗 湍流能力,且比大OAM数的LG光束有更强的抗湍流能力。     

高斯阵列光束自耦合特性的实验研究

根据广义Huygens-Fresnel原理和修正von Karman谱模型,推导出了径向分布高斯阵列光束经非相干合成后在大气湍流中传输时的光强分布解析表达式,并对阵列光束自耦合特性随传输距离和径向分布半径的变化情况进行了数值分析,最后对径向分布半径不同的阵列光束自耦合特性随传输距离的变化进行了测量。实验结果表明:高斯阵列光束在大气湍流中水平传输时,随着传输距离的增加阵列光束会从某一距离处耦合成一束,且合成光束的平均光强呈类高斯分布;相同传输条件下,径向分布半径越小,阵列光束的自耦合特性越好。     

部分相干径向偏振涡旋光焦场轨道角动量特性

将部分相干径向偏振涡旋光束的轨道角动量应用于焦场目标探测,根据部分相干及Richards-Wolf矢量衍射积分理论,推导了光束焦场目标平面处的光场分布,讨论了焦平面处的轨道角动量密度分布特性,分析了入射光束的相干长度和聚焦透镜的数值孔径对纵向分量轨道角动量密度分布和轨道角动量的影响。结果表明,随着相干长度的增大,轨道角动量和轨道角动量密度迅速变大,当增大至0.5 cm后,轨道角动量和轨道角动量密度的变化趋于平缓,此后,相干长度的变化不再影响轨道角动量和轨道角动量密度分布。随着数值孔径的增大,轨道角动量和轨道角动量密度始终表现出增长的变化趋势,并且,变化程度在数值孔径大于0.7后越来越大。     

非傍轴拉盖尔-高斯光束的轨道角动量密度特性北大核心CSCD

采用矢量瑞利-索末菲衍射理论推导了非傍轴近似条件下拉盖尔-高斯光束的电场解析表达式,基于该表达式分别推导了傍轴近似和非傍轴近似条件下的轨道角动量密度解析表达式。通过数值仿真,研究了傍轴和非傍轴近似条件下光束的轨道角动量密度分布特性,并分析了拓扑荷、束腰半径、传输距离对轨道角动量密度分布的影响。研究表明,非傍轴近似条件下轨道角动量密度分布与傍轴近似条件下不同,但随着拓扑荷的增加,其分布形状与傍轴近似条件下比较接近。傍轴近似条件下的拓扑荷、束腰半径、传输距离不会影响轨道角动量密度的分布形状,而非傍轴近似条件下轨道角动量密度分布的形状、尺寸都会受上述参数的影响。     

三孔干涉条件下部分相干电磁光束的偏振特性

推导了三孔干涉条件下的交叉谱密度矩阵,研究了该条件下部分相干光偏振特性的变化情况。比较了x、y方向场分量不相关和相关的情况,并与同样条件下双孔干涉的偏振度变化进行了对比。研究表明,偏振度在观察面上是振荡变化的,离中心越远振荡越剧烈;不同位置的偏振度传输足够长的距离后都将趋于稳定,其稳定值与参量Bxy和δxy有关,且离中心越远其偏振度达到稳定的传输距离越长;轴上偏振度与三孔的初始相干度是密切相关的。特别指出,当x、y方向场分量相关时,对应点偏振度的值远远大于其不相关的情况。     

矢量涡旋光束经光阑-透镜系统的OAM与偏振特性

与标量涡旋光束不同,矢量涡旋光束同时具有各项异性的空间偏振分布和螺旋相位分布,并携带与相位分布有关的轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)。根据柯林斯衍射积分理论,得到了傍轴近似条件下矢量涡旋光束的OAM密度,实验采集了矢量涡旋光束通过光阑-透镜系统后的光场,详细讨论了光阑截断参数以及光阑-透镜间距等参数对矢量涡旋光场及其OAM密度的影响。结果表明:相比标量涡旋光束,矢量涡旋光束OAM通过光阑系统后随传输距离的衰减更慢,受光阑截断参数影响更小。矢量涡旋光束偏振态不受光阑-透镜系统影响,截断参数大于4.2时,轨道角动量密度和光强不受截断参数影响。在透镜焦点位置处,OAM密度达到最大值。研究结果为矢量涡旋光束OAM特性的应用提供理论依据。     

湍流大气中J0相关部分相干平顶光束的传输特性

为了研究相干度为零阶贝塞耳函数的部分相干平顶光束的传输特性,采用广义惠更斯-菲涅耳公式得到了J0相关部分相干平顶光束通过湍流大气的平均光强分布,并利用空间2阶矩法得到了均方根束宽的解析表达式;分析了传输距离、相干长度、大气折射率结构常数、阶数对光强分布特性和光束扩展的影响。结果表明,J0部分相干平顶光束的阶数越高,相干长度越小,光束受湍流的影响就越小;改变光源的相干度可以使光束在湍流大气中的中心光强达到最大。