球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中的散射特性研究

研究了球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中的散射特性. 根据广义Mie理论, 推导出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射系数的解析公式. 针对光束的电场分布及粒子散射强度进行了数值仿真, 讨论了散射强度随散射角、散射球粒子半径和拓扑荷的变化特性, 并通过散射系数解释了散射强度分布的振荡现象. 结果表明, 在聚焦拉盖尔-高斯光束照射下, 球形粒子的后向散射强度随着粒子半径的增大而逐渐增大; 后向散射强度开始增大时对应的粒子半径与拓扑荷有关. 通过与高斯光束的对比, 可以看出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射特性的差异, 使其在粒径测量、光通信和大气后向散射探测等方面具有潜在应用价值.     

拉盖尔-高斯光束的近场矢量结构特征

直接以麦克斯韦方程组的解表征拉盖尔-高斯光束。基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述和电磁光束的矢量结构理论,利用一些数学技巧导出了拉盖尔-高斯光束的TE项和TM项在近场的解析表达式。利用所导出的公式,在近场描绘了拉盖尔-高斯光束的TE项、TM项及整个光束的光强分布。并对角度依赖分别为余弦和正弦关系的拉盖尔-高斯光束的矢量结构进行了比较,结果显示两者整个光束的光斑完全相似,唯一的区别是子瓣的空间方位不同且两者的内部矢量结构完全不相同。     

拉盖尔-高斯光束的近场矢量结构特征

直接以麦克斯韦方程组的解表征拉盖尔-高斯光束。基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述和电磁光束的矢量结构理论,利用一些数学技巧导出了拉盖尔-高斯光束的TE项和TM项在近场的解析表达式。利用所导出的公式,在近场描绘了拉盖尔-高斯光束的TE项、TM项及整个光束的光强分布。并对角度依赖分别为余弦和正弦关系的拉盖尔-高斯光束的矢量结构进行了比较,结果显示两者整个光束的光斑完全相似,唯一的区别是子瓣的空间方位不同且两者的内部矢量结构完全不相同。     

线偏振拉盖尔-高斯光束的远场发散特性

利用稳相法和矢量结构理论, 导出了线偏振拉盖尔-高斯光束的矢量结构项TE项和TM项在远场的解析表达式. 进而利用TE项和TM项的远场能流分布, 给出了TE项和TM项的功率占总功率比例的度量式,同时还给出了线偏振拉盖尔-高斯光束、TE项和TM项三者远场发散角的解析式以及三者远场发散角间的关系式. 所得到的公式不仅适用于傍轴情形,而且还适用于非傍轴情形. 通过数值计算, 分析了TE项和TM项在远场的功率占总功率的比例与参数f和模数间的依赖关系;还分析了拉盖尔-高斯光束、TE项和TM项的远场发散角随参数f、模数和线偏振角的变化关系.这一研究从矢量结构本性揭示了线偏振拉盖尔-高斯光束的远场发散特性, 丰富了对其传输特性的认识.     

拉盖尔-高斯幂指数相位涡旋光束传输特性

为实现光折射率传感器小结构、高灵敏度的要求,根据表面等离极化激元的透射特性,提出了一种单挡板金属-介质-金属（MIM）波导耦合类云朵腔结构。此结构引用“腔中腔”的理念,在近场耦合作用下,类云朵腔所形成的较宽的连续态与金属挡板所形成的较窄的离散态经过干涉相长相消,可以产生三重不同模式的法诺共振。结合耦合模理论,对三重法诺共振的产生机理进行分析,并运用有限元分析法对此结构进行模拟仿真,定量分析了不同结构参数对折射率传感特性以及优质因子的影响。结果表明,三种共振模式的灵敏度分别为600,800,1083 nm/RIU,优质因子分别为5.08×10⁴、3.56×10⁵和1.17×10³。     

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     

拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的螺旋谱特性

研究了拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的传输特性.在利托夫近似下,得到接收孔径处光束的螺旋谱的积分表达式.通过数值仿真得出大气湍流对光束螺旋谱的影响以及光束螺旋谱随各参数值的变化特性.仿真发现大气湍流会使螺旋谱发生弥散.而且随着拓扑荷,接收孔径半径,折射率结构函数及距离的增加,螺旋谱弥散加剧.经拟合得到描述螺旋谱弥散程度的无量纲方差V随距离成6次函数关系;与接收孔径半径及折射率结构函数成二项式关系;而与拓扑荷呈11次多项式关系.最后得出径向指数,束腰半径对螺旋谱的影响非常小,并且根据此结论推出光 关键词： 拉盖尔-高斯光束 大气湍流 螺旋谱 无量纲方差     

拉盖尔-高斯光束在界面反射和折射的质心偏移特性研究

在圆柱坐标系中研究了傍轴线偏振拉盖尔-高斯光束在两种各向同性介质界面反射和折射后光强质心的偏移. 基于菲涅耳近似和泰勒级数展开,分别得到了部分反射和全反射两种情形下,质心的横向偏移和纵向偏移与光束拓扑荷的解析关系式. 研究表明,部分反射时,反射和折射光束的横向偏移的大小与光束的拓扑荷成正比,方向由拓扑荷的符号决定;而纵向偏移仅仅大小与光束的拓扑荷有关. 全反射时,反射光束质心偏移不受拓扑荷影响. 通过数值模拟验证了解析结果的正确性,并得到了解析公式的适用条件. 拉盖尔-高斯光束的质心偏移特性可应用于测量光 关键词： 拉盖尔-高斯光束 横向偏移 纵向偏移 拓扑荷     

拉盖尔-高斯光束的部分相干特性对克尔效应的影响

拉盖尔-高斯光束由于其特有的涡旋特性使其在大气传输过程中具有更好的稳定性。实际激光输出存在的部分相干性将对光束传输具有明显的影响,在大功率输出模式下,克尔效应的产生也会影响到光束传输的特性。本文从部分相干拉盖尔-高斯光束的交叉谱密度方程出发,推导了克尔效应作用下光束的传输表达式,利用分步傅里叶变换,对高功率部分相干涡旋传输中的克尔效应过程进行了模拟,并对比了不同参数影响下,光束相干性不同时克尔效应的差异。结果表明,克尔效应有助于维持光强的环状结构,提高拓扑荷数能够有效地缓解因相干度降低而造成的涡旋结构衰退的现象。     

Elegant Laguerre-Gaussian beam in a turbulent atmosphere

Paraxial propagation of an elegant Laguerre-Gaussian beam (ELGB) in a turbulent atmosphere is investigated in detail. Analytical formulae for the average intensity and effective beam size of an ELGB in a turbulent atmosphere are derived based on the extended Huygens-Fresnel integral. The average intensity and spreading properties of an ELGB in a turbulent atmosphere are studied numerically and compared with those of a standard Laguerre-Gaussian beam (SLGB). Our results indicate that the propagation properties of an ELGB in a turbulent atmosphere are much different from its properties in free space, and are closely related to its beam parameters and the structure constant of the atmospheric turbulence. The ELGB with higher mode orders is less affected by the turbulence. The SLGB spreads more rapidly than the ELGB in a turbulent atmosphere under the same conditions. Our results will be useful in long-distance free-space optical communications. ©2010 Elsevier Science B.V. All rights reserved.     

Analytically vectorial structure of an apertured Laguerre-Gaussian beam in the far-field

Based on the angular spectrum representation of an arbitrary electromagnetic beam and the method of stationary phase, an analytically vectorial structure of an apertured Laguerre-Gaussian beam in the far-field has been derived without any approximation. The analytical expressions of the energy flux of the TE term, the TM term, and the apertured Laguerre-Gaussian beam are also presented in the far-field, respectively. The energy flux distributions of the TE term, the TM term, and the apertured Laguerre-Gaussian beam are numerically demonstrated in the far-field reference plane. The influences of the f-parameter, the truncation parameter, the radial and angular mode numbers, and the dependent relation of angle on the energy flux distributions in the far-field of the TE term, the TM term, and the apertured Laguerre-Gaussian beam are also discussed in detail.     

用拉盖尔-高斯激光对真空中电子直接加速

对用拉盖尔-高斯(LG)光束加速电子作了研究.结果表明，仅模指数为p和l=1的LG光束的纵向电场可用于加速电子.模指数为p和l=1的线偏振和圆偏振LG光束都对电子有加速效果.对轴上光场的相速度和群速度以及电子能量增益等物理特征作了讨论.给出了轴上光场的相速度和群速度、加速电位及电子能量增益等的解析表达式，并作了数值计算和分析. 关键词： 激光电子加速 拉盖尔-高斯光束 线偏振和圆偏振 能量增益     

基于拉盖尔-高斯光束的通信系统在非Kolmogorov湍流中传输的系统容量

涡旋波束在大气湍流中的传输有非常重要的理论研究和实际应用意义. 本文基于利托夫近似和广义惠更斯-菲涅耳原理, 推导出拉盖尔-高斯(LG)光束在非Kolmogorov湍流中斜程传输时的螺旋谱, 并进一步推导出系统的容量. 对基于LG光束的通信系统容量进行了数值计算, 并对指数参数、光束波长、天顶角、湍流内尺度、外尺度、结构常数对系统容量的影响进行了分析比较. 本文的结论能够为LG光束在非Kolmogorov湍流中的通信提供一定的参考价值. 关键词： 拉盖尔-高斯光束 非Kolmogorov湍流 平均容量     

利用振幅光栅生成拉盖尔-高斯光束的实验研究

拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束由于其独特的相位结构和轨道角动量特性在微粒旋转操纵和信息处理等方面得到了越来越多的重视.对利用振幅型叉状衍射光栅产生LG光束进行了理论分析,采用计算全息图的方法制作了振幅型叉状衍射光栅,实验上获得了角量子数为±1的LG光束,并对光束变换过程中影响光束特性的主要因素进行了讨论. 关键词： 信息光学 拉盖尔高斯光束 计算全息光栅 光束轨道角动量     

相位片角向衍射产生拉盖尔-高斯光束的实验研究

设计了一种角向分布的相位片,利用离子束刻蚀技术加工成0和π二级的相位片.利用角向衍射理论对相位片的衍射场分析表明,衍射场为拓扑指数相反的两束拉盖尔-高斯光束的叠加场.用直径为4 mm的近平行光照射相位片,获得径向指数为零,拓扑荷相反的叠加拉盖尔-高斯光场.采用较大孔径的光束入射时,仍为拓扑荷相反的两束光的叠加,但径向指数会发生变化. 关键词： 信息光学 拉盖尔-高斯光束 相位片 离子束刻蚀     

在大气湍流斜程传输中拉盖高斯光束的轨道角动量的研究

大气湍流引起大气折射率随机变化,导致空间不均匀性.拉盖高斯光束在大气湍流中传输时,空间不均匀性会使光子波函数改变,引起轨道角动量的变化.本文讨论了拉盖尔高斯光束在大气斜程传输时,湍流介质改变光子轨道角动量而形成不同的光子态.计算了螺旋谐波各分量所占光束总能量的权重,分析了拉盖高斯光束的轨道角动量的变化规律.     

具有轨道角动量光束入射下的单球粒子散射研究

根据广义Mie理论,研究了具有轨道角动量拉盖尔-高斯光束（LGB）的空间传输特性以及单粒子散射特性.在单体球粒子对高斯光束散射研究的基础上,分析了在自由空间不同传输距离LGB光束的光强分布情况,在不考虑散射和波束相移关系的情况下,将LGB作为入射高斯光束,通过对波束入射时的散射衰减截面求解得到波束因子,利用矢量球谐函数对入射高斯波束进行展开,从而研究了单球粒子在在轴条件下对具轨道角动量高斯波束入射的散射问题.通过数值计算,讨论了散射强度及角分布在不同波束宽度情况下对其散射特性的影响,并与平面波的情况做了对比.结果表明,当波束束腰半径较小时,束腰半径对衰减率的影响较大,而当束腰半径远大于粒子半径时,接近于平面波的情况. 关键词： 广义Mie理论 轨道角动量 Laguerre-Gauss光束 单球粒子     

离轴拉盖尔-高斯涡旋光束传输中的光斑演变

在产生涡旋光束过程中, 固体激光器所输出的光束中心 很难与螺旋相位板的中心完全对准, 实际出射的光束为离轴涡旋光束. 在衍射理论的基础上, 对离轴涡旋光束的传输进行了研究, 推导了离轴涡旋光束传输一段距离后电场和光强的解析表达式.研究表明, 与理想的涡旋光束不同, 离轴涡旋光束具有非对称性的光强分布, 在传输过程中光斑除了展宽外, 涡旋暗核还会发生移动. 拓扑电荷数的大小只影响到光束的展宽, 拓扑电荷数为正时, 暗核沿着逆时针切线方向移动; 拓扑电荷数为负时, 暗核沿着顺时针的切线方向移动, 该结果对长距离探测涡旋光束的对准问题起到指导作用.