部分相干刃型位错光束的谱Stokes奇点

利用交叉谱密度函数的传输公式,推导出部分相干刃型位错光束在自由空间中传输的解析表达式.结合谱Stokes参数,详细讨论了其Stokes场的奇点变化规律.结果表明,部分相干刃型位错光束在自由空间传输过程中存在谱s12,s23和s31奇点.改变刃型位错的离轴量、斜率、空间相关长度等光束参数以及随着传输距离的变化,会有谱Stokes奇点的移动、产生和湮没,也会有V点的产生和C点旋性的反转.     

经光阑衍射的平顶涡旋光束位相奇点的演化特性

推导出了平顶涡旋光束通过有光阑ABCD光学系统的传输解析式,并以光阑透镜和矩形光阑系统为例,与平顶光束比较研究了截断参量、相对离轴距离和光束阶数对衍射场中位相奇点演化特性的影响.数值计算表明,平顶涡旋光束通过上述光学系统均存在位相奇点,即使源处涡旋被光阑阻拦时,衍射场中也会出现位相奇点;而平顶光束通过光阑透镜系统存在刃型位错,随着截断参量增大,会发生刃型位错的演化和湮灭现象,且平顶光束通过矩形光阑系统没有发现位相奇点.     

经光阑衍射的平顶涡旋光束位相奇点的演化特性

推导出了平顶涡旋光束通过有光阑ABCD光学系统的传输解析式,并以光阑透镜和矩形光阑系统为例,与平顶光束比较研究了截断参量、相对离轴距离和光束阶数对衍射场中位相奇点演化特性的影响.数值计算表明,平顶涡旋光束通过上述光学系统均存在位相奇点,即使源处涡旋被光阑阻拦时,衍射场中也会出现位相奇点;而平顶光束通过光阑透镜系统存在刃型位错,随着截断参量增大,会发生刃型位错的演化和湮灭现象,且平顶光束通过矩形光阑系统没有发现位相奇点.     

异常空心光束通过像散透镜后的相位奇异特性

光场的相位奇异特性是奇点光学研究的重要内容。运用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导得到异常空心光束通过像散透镜后的光场分布表达式和相位奇点分布表达式,并研究了其在几何焦平面的相位奇异特性。结果表明,异常空心光束通过像散透镜后,在几何焦平面上存在相位奇点,且相位奇点受到透镜的像散系数和光束束腰宽度等参数控制。在一定条件下,几何焦平面上会出现椭圆或圆刃型位错线、光涡旋。当像散系数或束腰宽度改变时,椭圆或圆刃型位错线发生变化,光涡旋也会发生移动、湮灭和产生。     

有倾斜透镜存在时两个刃型位错的相互作用

对存在倾斜透镜时两个刃型位错的相互作用进行了研究.研究表明, 两个离轴刃型位错在一定条件下由于相互作用会消失, 并有一个或两个非正则光涡旋产生, 一个共轴刃型位错和一个离轴刃型位错相互作用时产生一个非正则光涡旋. 当初始场中两个刃型位错相互垂直或者平行时, 出射场中会有一个或者两个刃型位错出现. 改变透镜的倾斜因子不影响出射场中位相奇点的类型和数量, 但位相奇点的横向位置与倾斜因子有线性关系. 两个刃型位错相互作用产生的光涡旋对的三维轨迹是非线性的, 但光涡旋对的中心沿直线传输. 关键词： 位相奇点 刃型位错 非正则光涡旋 倾斜透镜     

经光阑衍射的高阶贝塞耳光束位相奇点演化特性

推导出了高阶贝塞耳光束通过有光阑近轴ABCD光学系统传输的解析公式,用以研究了高阶贝塞耳光束被光阑衍射位相奇点的演化特性.结果表明:高阶贝塞耳光束经光阑系统衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒,但涡旋核大小会随光阑半径、传输距离和光束阶数而变化;随光阑半径和传输距离变化,圆刃型位错会消失或产生.     

经光阑衍射的高阶贝塞耳光束位相奇点演化特性

推导出了高阶贝塞耳光束通过有光阑近轴ABCD光学系统传输的解析公式,用以研究了高阶贝塞耳光束被光阑衍射位相奇点的演化特性.结果表明:高阶贝塞耳光束经光阑系统衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒,但涡旋核大小会随光阑半径、传输距离和光束阶数而变化;随光阑半径和传输距离变化,圆刃型位错会消失或产生.     

聚焦高斯涡旋光束焦区电场和磁场的偏振奇点

以高斯涡旋光束为例,研究了聚焦场中电场和磁场的偏振奇点变化规律.结果表明,高斯涡旋光束经透镜聚焦后,在焦区存在二维和三维电场和磁场的偏振奇点,其位置一般不重合.适当改变与焦面的距离以及光阑截断参数等出现圆偏振奇点的移动、产生和湮没.不同二维和三维电场和磁场圆偏振奇点湮没所对应的各参数临界值不同.在二维电场中,几何焦面上会有V点的产生.     

振幅比对矢量光束相干和非相干叠加合成Stokes奇点的影响

基于菲涅耳衍射积分方法、Stokes参量和复Stokes标量场,推导了两束单色傍轴矢量光束相干叠加和非相干叠加形成的合成Stokes奇点在自由空间传输时的表达式,研究了合成Stokes奇点在自由空间随振幅比变化的传输特性,同时分析了振幅比对合成Stokes奇点的偏振度的影响.结果表明:在自由空间传输时,合成Stokes奇点的数目、位置和奇点指数受振幅比影响.相干叠加场中,合成Stokes奇点的偏振度始终为1.在z=0面上,当振幅比η≠1时,C点、S23和S31奇点的奇点指数会发生反转;在z0面上,产生奇点指数加倍的S23奇点.非相干叠加场中,合成Stokes奇点的偏振度小于1且随振幅比发生变化.在z0面上,随振幅比η的改变,会产生不稳定的V点,V点会重新分裂为S23奇点和旋向性发生反转的C点;随振幅比η的进一步增加,S23奇点会湮灭.研究还发现,合成Stokes奇点的奇点指数之和守恒.     

一端被限制的刃型位错和光涡旋在湍流大气中的传输特性

光束在湍流大气中传输,由于大气湍流的存在,光束的波前随着传输距离的增加将会破坏,不利于在终端对光束携带信息的提取。论文基于广义惠更斯-菲涅耳原理,以携带有一端被限制的刃型位错和光涡旋的高斯光束为研究对象,探究了湍流大气传输中一段被限制的刃型位错和光涡旋的演化行为。研究发现,由于刃型位错的弯曲度不同,随着光束传输距离的增加,一端被限制的刃型位错消失或者消失后演化为光涡旋。随着传输距离的继续增加,光束波前将会出现由大气湍流诱导产生的光涡旋。当光束传输足够远,大气湍流诱导产生的光涡旋会和刃型位错演化的光涡旋发生湮灭,或者大气湍流诱导的光涡旋之间发生湮灭。光束本身携带的光涡旋在整个传输过程中稳定传输。论文研究结果在光通信中具有重要的应用。     

高斯涡旋光束在自由空间传输中电场和磁场的偏振奇点

利用矢量菲涅尔衍射积分公式, 以高斯涡旋光束为例, 推导出傍轴高斯涡旋光束在自由空间传输过程中电场分量和磁场分量的解析表达式, 详细研究了自由空间中电场和磁场的偏振奇点变化规律. 结果表明, 高斯涡旋光束在自由空间传输中, 存在二维和三维电场和磁场的偏振奇点, 其位置一般不重合. 改变光束束腰宽度比、 振幅比以及传输距离, 偏振奇点出现移动. 在二维电场和磁场中, 当满足一定条件时, 会有V点产生.     

异常空心光束通过球差光阑透镜的聚焦和在焦区的位相奇异特性

研究了用德拜公式对异常空心这类新型光束经过光阑透镜后的聚焦特性.结果表明,异常空心光束的形状一般不能保持传输不变性,但选择合适的截断参数和球差异常空心光束在一定位置可保持其初始光强分布近似不变.在焦区位相奇点会出现移动、产生和湮灭,并与截断参数、球差和光阑透镜半角有关.当无球差时,出现鞍点,奇点对的湮灭过程与鞍点对湮灭相伴发生,导致亚波长结构.用计算例对结果做了说明,并与文献中已有工作做了比较. 关键词： 异常空心光束 球差光阑透镜 位相奇点     

刃型位错高斯光束的Riemann-Silberstein涡旋通过双焦透镜的聚焦特性

基于时间平均复标量场的零值点,推导出寄居于高斯光束中的刃型位错线形成的Riemann-Silberstein (RS)涡旋通过双焦透镜传输时的复标量场。详细研究了刃型位错高斯光束形成的RS涡旋通过双焦透镜的聚焦特性,分析了传输距离和双焦透镜在x方向的焦距对RS涡旋的影响。研究发现RS涡旋通过双焦透镜后会出现RS涡旋的移动、新产生一对含有相反拓扑电荷的RS涡旋、两个含有相反拓扑电荷的RS涡旋逐渐靠近至湮灭,但是,在整个聚焦传输变化过程中,RS涡旋的总拓扑电荷守恒。特别地,当RS涡旋通过理想透镜时,复标量场中始终只有4个位于x轴上的RS涡旋。随着传输距离增加,这4个RS涡旋先逐渐靠近原点(0, 0),又逐渐远离原点(0, 0),但每个RS涡旋的拓扑电荷一直保持不变,因此,总拓扑电荷守恒。     

聚焦部分相干涡旋光束的传输和相干特性

根据部分相干光的传输理论,研究了部分相干高斯-贝塞尔涡旋光束通过光阑透镜聚焦后的传输和空间相关性质.数值计算结果表明,涡旋暗核的大小和焦平面上的光谱相干度都取决于入射光的拓扑电荷n、截断参量δ、相对相干长度σg和参量α.当选择适当的参量,在几何焦点附近会出现局域空心光束.研究还发现在焦面上光谱相干度会产生一个或多个的相位奇点(相干涡旋),而且拓扑电荷和相对相干长度会对相干涡旋的位置和个数产生影响.在相干极限下,相干涡旋可逐渐演变为光学涡旋.     

部分相干圆刃型位错光束在生物组织中的偏振特性

以推导的在生物组织中部分相干圆刃型位错光束传输时的交叉谱密度矩阵元,研究了传输中不同光束参数(光束波长λ、位错数目n_dis、空间自相关长度σ_yy)对不同场点之间偏振特性的影响。部分相干圆刃型位错光束波长和位错数目不影响偏振态的初始值,而不同空间自相关长度的光束初始偏振态不同。随着传输距离增加,空间同一点的偏振态经历明显的起伏变化后最终趋于与源处一致,空间不同两点间的偏振态最终趋于一不同于初始值的定值。与远红外光和紫外光相比,可见光和近红外光更适合作为生物医学疾病诊疗的目标光束。位错数目越大,各偏振特征参量极值间距越大。空间自相关长度σ_yy与σ_xx的相对大小会影响偏振度的大小及变化趋势。     

高斯-谢尔模型光束通过光阑像散透镜传输轴上光谱变化

从部分相干光的传输理论出发,研究了高斯-谢尔模型(GSM)光束通过光阑像散透镜传输轴上的光谱变化规律.结果表明,与光源光谱相比,高斯-谢尔模型(GSM)光束通过光阑像散透镜传输轴上光谱发生了中心频率的移动,这种现象被称为光谱位移.详细分析了透镜的像散、光束的空间相关性和光阑的截断参量对光谱变化的影响.数值计算表明,这些参量会对光谱移动产生比较大的作用.     

双曲余弦高斯涡旋光束的远场特性研究

运用电磁光束的角谱法和稳相法, 推导出双曲余弦高斯(ChG) 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, 用以研究了ChG涡旋光束在远场中的位相奇点和能流密度分布特性. 结果表明, 改变ChG 涡旋光束中的离心参数或束腰宽度, 位相奇点的密度、位置会发生变化. 涡旋离轴量的变化会导致能流密度分布的不对称性. 当离心参数增大时, 原点周围黑核会向原点中心移动. 关键词： 双曲余弦高斯涡旋光束 位相奇点 能流密度     

随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中的传输特性

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式得到了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输的交叉谱密度矩阵的一般表达式,通过数值计算主要研究了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输时其在远场输出面的统计特性的变化,包括归一化光谱强度、光谱偏振度、两点的光谱相干度等.数值模拟结果显示海洋湍流能够对随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束的归一化光谱强度分布产生影响,随着传输距离的增加,零阶Bessel-Gaussian光束中心出现凹陷,高阶Bessel-Gaussian光束中心会变平坦继而又凹陷下去,不管零阶还是高阶,当传输距离增加到足够远,光强分布都会演变成最终的类高斯分布.x轴上各点的偏振度改变与相干长度δ_(xx),δ_(yy)以及海洋湍流参数有关.x轴上任意一点和原点这两点的光谱相干度也随x的增加而呈振荡变化,并且海洋的均方温度耗散率χT对光谱相干度有影响.     

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。     

部分相干圆刃型位错光束在生物组织中的动态演化

以广义惠更斯-菲涅耳原理为基础,利用推导的部分相干圆刃型位错光束在小鼠真皮组织传输中的交叉谱密度函数解析表达式,研究了光束初始参量(光束波长λ和圆刃型位错数目n)和传输距离z对光束归一化光强分布、相位演化和传输轨迹的影响。结果表明,位错数为n的部分相干圆刃型位错光束,源平面内中心光强最大,两侧对称分布着2n个次峰。随传输距离增加,光强分布由多峰状逐渐演化为单峰状,波长越长,n值越小,光强分布演化越快。位错数目越多,光束稳定性越好。源平面内n个圆刃型位错最内侧的环半径随位错数目增加而减小。受到生物组织湍流诱导和衍射效应的综合作用,自传输开始,圆刃型位错分裂为n对拓扑荷分别为"+1"和"-1"的相干涡旋。随传输距离增加,又新生n对拓扑荷为"+1"和"-1"的相干涡旋。波长越长,n值越大,光束相位演化越快,相干涡旋的位置分布由分散趋于集中,最终全部湮灭。相干涡旋对间距越小,湮灭越早。波长越长,位错数目越多,起始相干涡旋对越早开始湮灭,全部湮灭的传输距离越长;波长越短,位错数目越多,新生相干涡旋对越早开始湮灭,全部湮灭经历的传输距离越长。