一种同时测量高斯光束束腰位置和半径的新方法

从高斯光束的横向光强分布特性出发,建立了小孔光阑透过光功率与高斯光束束腰位置、束腰半径、光阑孔径和光阑位置间的关系式。用氦氖激光器、凸透镜、小孔光阑和硅光电池等搭建了一套简单测量装置,利用此装置对同一小孔光阑在高斯光束传播方向上不同位置时的透过光功率进行了测量。用所得的理论公式对实验数据进行拟合,通过拟合出的参数可同时测得高斯光束的束腰位置和半径。测量结果表明,该方法不仅合理、可行,而且具有装置简单、操作方便等优点。     

球面折射系统对高斯光束的变换和传输模拟

为研究高斯光束在厚透镜中的传输特性,由几何光学处理傍轴光线的方法,理论上推导了高斯光束的物像束腰位置以及物像束腰半径间的关系,并由高斯光束传输光线就是单叶双曲面直母线的假设,光线追迹模拟了高斯光束在透镜系统的传输过程.模拟结果表明,当物高斯光束束腰位置与透镜系统物方焦点的距离远大于高斯光束的共焦参数时,用几何光学傍轴光线方法所得到的高斯光束束腰位置和半径的理论结果与光线追迹得到的高斯光束束腰位置和半径模拟结果一致,否则,光线追迹模拟结果不正确.     

用于实验教学的激光高斯光束参数测量系统

组建了一套激光高斯光束判断和参数测量系统,分别在近场和远场进行多点测量,再进行双曲线拟合,即可得到光束的束腰及其位置、瑞利尺寸、发散角和光束质量因子.     

Cassegrain激光发射系统的光路设计

为了提高激光探测系统激光的发射功率,在出射激光为基模的高斯光束的光路设计中,根据高斯光束经过光学系统的变换与传输特性,分析了系统采用Cassegrain望远镜时,其遮拦比以及入射光束束腰半径对光功率透过率的影响。通过具体的数值计算得出,随着遮拦比及入射光束束腰半径的增大,系统光功率透过率将减小,给出了望远镜遮拦比与发射孔径处光斑尺寸之间的最佳匹配关系,最后讨论了离焦误差（安装误差）为0.2mm时对出射光斑尺寸的影响。     

截断非傍轴标量高斯光束的传输特性

基于精确光强定义下非傍轴标量光束的二阶矩理论,计算了不同束腰及光阑孔径条件下截断非傍轴标量高斯光束的束腰半径、远场发散角以及质量因子等光束传输特性,并将截断非傍轴标量高斯光束与自由高斯光束和平面波圆孔衍射光束进行了比较.数值计算表明截断参量的不同对截断高斯光束的传输特性影响很大.当R2ω0时,截断高斯光束与高斯光束在自由空间传输特性趋于一致,因此在精确光强定义下,对于非傍轴标量光束来说,当光阑孔径大于2倍束腰时,可以不考虑光阑对高斯光束的衍射作用.当R0.3ω0时,截断高斯光束传输特性趋于平面波通过圆孔的衍射曲线.因此,在这种情况下,可以将高斯光束作为平面波处理.只有当光阑孔径介于0.3倍束腰和2倍束腰之间时,需要同时考虑光阑孔径和高斯束腰对衍射的影响.     

高斯光束照射下的Vander Lugt相关器的特性研究

针对特定目标图像,定量分析了在Vander Lugt相关器中照明光束为高斯光束时输出相关峰值随高斯光束特性参量的变化情况。结果表明,输出相关峰值随高斯光束腰斑半径的减小和输入场景中目标位置偏离高斯光束中心距离的增加而减小。为了得到高的输出相关峰值,由扩束准直光学系统输出的高斯光束腰斑半径应满足一定的要求。     

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     

光瞳半径对纯位相调制激光束整形系统的影响

光瞳截断作用对纯位相调制激光束整形系统的系统性能有重要影响. 本文提出了一种关于光瞳半径对近场调制位相和远场系统评价函数影响的定量分析方法. 通过拉格朗日乘数法等方法分析光瞳半径对近场调制位相的影响, 结果表明: 近场调制位相随光瞳半径近似线性增加. 通过建立数学模型, 拟合分析光瞳半径对系统评价函数的影响. 结果表明: 对方形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到99%左右, 光瞳半径为2.5倍高斯光束束腰半径时, 相关系数达到0.997, 光强偏离残差平方均值达到0.0004左右, 光瞳截断作用趋于最小; 对圆形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到97%, 光瞳半径为3倍高斯光束束腰半径时, 相关系数与光强偏离残差平方均值变化幅度均在10^-3量级, 系统评价函数趋于收敛, 光瞳截断作用趋于最小.     

光束质量与光束质量因子

应用标量光场光强的传统定义 ,推导了具有轴对称性的傍轴标量光束的光强二阶矩的传输规律。在此基础上 ,给出了光束的束腰半径、远场发散角及光束质量因子M2 ,并证明了光束质量因子M2 1。应用标量光场光强的精确定义 ,计算了非傍轴标量高斯光束的质量因子 ,结果表明 :当ω0 λ时 ,光束质量因子M2 可以小于 1,并随光束的束腰半径趋于零而趋向于零 ;ω0 >λ时 ,高斯光束的质量因子M2 非常接近于 1,且随光束束腰半径的增大迅速趋向于 1。此外 ,文章还对一些相关的问题进行了讨论。     

相干激光雷达接收机混频效率

相干激光雷达接收机中,信号光为平面光经衍射形成的艾里斑,本振光为基模高斯光束,在文章中对两者在探测器光敏面上混频的混频效率进行了讨论。对于给定的信号光,若满足fλd21,那么高斯光束束腰半径取0.781fλ/d、探测器半径取1.130fλ/d时获得最大混频效率0.834,这一最佳混频可以通过离焦式扩束望远镜调节高斯光束束腰半径的大小与位置来实现。     

高斯光束经环形光栅的衍射特性分析

基于傅里叶-贝塞尔变换计算高斯光束垂直入射环形光栅时的衍射远场分布,分析了其衍射远场光强分布的一般规律,并与平面波入射时的情况进行了比较.计算结果表明：当光栅半径为1.5倍高斯光束束腰半径时, 随着光栅环数的增加,中央亮斑半值全宽先减小后增大、中央亮斑所包含的功率占总功率的比值减小、中央主极大光强值减小,三者的变化趋势与平面波入射时的趋势一致;中央亮斑半径、次极大光强值变化趋势与平面波入射时的变化趋势不同.当环数小于5时,高斯光束经过环形光栅的衍射场光强变化无规律;当环数大于10后两种情况下衍射场光强变化都不明显;当环数趋于无穷时中央亮斑半径、中央亮斑半值全宽、次极大光强值趋于圆孔衍射(环数等于1)时的值,中央亮斑所包含的功率占总功率的比值约等于圆孔衍射时的1/2,中央主极大光强值约等于圆孔衍射时的1/4.     

针剂中异物的光电检测方法研究

针剂在实际生产过程中容易混入异物颗粒,异物颗粒影响人体健康,因此针剂在出厂前必须进行异物检测.本文提出了一种基于光阻法的针剂异物的检测方法,介绍了检测原理及其信号处理方法,单瓶静态实验表明,该方法与人工检测方法比较,符合率为96.30%.针对检测区域和测试时间过小所造成的漏检可能,提出了双光路检测方法,并通过实验论证了其可行性.     

贝塞尔-高斯涡旋光束相干合成研究

基于相干合成技术,提出了对特定离散空间分布的高斯光束阵列加载离散涡旋相位生成二阶贝塞尔-高斯(Bessel-Gaussian,BG)涡旋光束的方案.利用干涉法、桶中功率和相关系数对合成BG涡旋光束的拓扑荷、光束质量进行了定量评价及参数优化.结果表明:基于相干合成技术能够产生特定的目标BG涡旋光束,阵列子光束紧密排布时合成BG光束的光束质量更高.该方法的提出对于其他涡旋光束的产生或者涡旋光束功率的提高具有一定的参考意义.     

Induced focusing and conversion of a Gaussian beam into an elliptic Gaussian beam

We have presented an investigation of the induced focusing in Kerr media of two laser beams, the pump beam and the probe beam, which could be either Gaussian or elliptic Gaussian or a combination of the two. We have used variational formalism to derive relevant beam-width equations. Among several important findings, the finding that a very week probe beam can be guided and focused when power of both beams are well below their individual threshold for self-focusing, is a noteworthy one. It has been found that induced focusing is not possible for laser beams of any wavelength and beam radius. In case both beams are elliptic Gaussian, we have shown that when power of both beams is above a certain threshold value then the effective radius of both beams collapses and collapse distance depends on power. Moreover, it has been found that induced focusing can be employed to convert a circular Gaussian beam into an elliptic Gaussian beam.     

Generation of a hollow Gaussian beam and its anomalous behavior

I attempted to produce a laser beam with no light in the central line of the beam, by Fresnel diffraction of the Gaussian beam by a spiral zone plate (SZP). The study imparts an arbitrary-order phase singularity on the light field. The experimental results show that the optical vortex radius depends on the singularity’s integer order n (also termed topological charge, or order of the dislocation). Also, the radius of maximum intensity is shown to depend on the singularity number. Anomalous behavior of the spectra at phase singularity produced by various zone plates near the focus of a converging Gaussian beam is also studied using a simple experimental technique. It is found that the spectrum of the beam on the SZP (spiral zone plate) consisting of a single spectral profile shows almost vanishing intensity at all frequencies with a tendency of splitting into two peaks at the on-axis point and shows redshift and blueshift around the phase singularity. A comparative study of the anomalous behavior of the spectra at phase singularity produced by various SZPs, with varying phase singularity order n, near the focus of a converging Gaussian laser beam is studied.     

Scintillation of a laser beam propagation through non-Kolmogorov strong turbulence

Atmospheric turbulence causes strong irradiance fluctuations of propagating optical wave under the severe weather conditions in long-distance free space optical communication. In this paper, the scintillation index for a Gaussian beam wave propagation through non-Kolmogorov turbulent atmosphere is derived in strong fluctuation regime, using non-Kolmogorov spectrum with a generalized power law exponent and the extended Rytov theory with a modified spatial filter function. The analytic expressions are obtained and then used to analyze the effect of power law, refractive-index structure parameter, propagation distance, phase radius of curvature, beam width and wavelength on scintillation index of Gaussian beam under the strong atmospheric turbulence. It shows that, with the increasing of structure parameter or propagation distance, scintillation index increases sharply up to the peak point and then decreases gradually toward unity at rates depending on power law. And there exist optimal value of radius of curvature and beam width for minimizing the value of scintillation index and long wavelength for mitigating the effect of non-Kolmogorov strong turbulence on link performance.     

一种用于高斯光束整形的衍折射光学元件的研究

由衍射光学元件（ＤＯＥ）和折射透镜组成的衍折射光学元件，用于较大功率密度和光束半径的高斯光束的聚焦。运用ＧＳ算法，用外围的ＤＯＥ产生一个偏移的高斯光束分布，与中心的折射透镜会聚后的高斯光束相干叠加在一个很小的聚焦圆内，在聚焦圆内的光强分布不平整度小于５％。给出了一个圆域基模高斯光束的整形分布，计算误差小于３．５％。     

高斯涡旋光束在大气湍流传输中的特性研究

为了研究大气湍流对高斯涡旋光束传递信息的影响,理论分析了经过大气湍流的高斯涡旋光束轨道角动量(OAM)模式的径向平均功率和归一化平均功率分布、固有模式指数、初始光束半径和湍流强度;采用纯相位扰动逼近的有效性,数值模拟高斯涡旋光束在传输中的OAM模式径向平均功率分布的变化。建立传输模型并进行外场激光大气传输实验,对比分析了模拟和实测的OAM归一化平均功率分布,结果表明在弱湍流条件下,OAM模式的径向平均功率随着接收器孔径尺寸的增加而变化,逐渐趋于稳定值。对于一般常用的接收孔径,在强湍流或较小的初始光束半径条件下对OAM模式干扰十分严重。验证了用数值方法模拟OAM在湍流介质中的模式变化过程的可靠性。     

Slant path average intensity of finite optical beam propagating in turbulent atmosphere

The average intensity of finite laser beam propagating through turbulent atmosphere is calculated from the extended Huygens Fresnel principle. Formulas are presented for the slant path average intensity from an arbitrarily truncated Gaussian beam. The new expressions are derived from the modified von Karman spectrum for refractive-index fluctuations, quadratic approximation of the structure function,and Gaussian approximation for the product of Gaussian function and Bessel function. It is shown that the form of average intensity is not a Gaussian function but a polynomial of the power of the binomial function, Gaussian function, and the incomplete gamma function. The results also show that the mean irradiance of a finite optical beam propagating in slant path turbulent atmosphere not only depends on the effective beam radius at the transmitting aperture plane, propagation distance, and long-term lateral coherence length of spherical wave, but also on the radius of emit aperture.