贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了贝塞尔高斯涡旋光束在湍流大气中传输时系统平均光强的解析表达式,研究了贝塞尔高斯空心涡旋光束在湍流大气中的光强传输特性,同时分析了大气湍流的强弱、涡旋光束的拓扑荷等对光束质量的影响.结果表明:贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时,光强分布经历几个连续的变化,相位奇异性也会在传输过程中消失,该过程与涡旋光束拓扑荷的数目、光束的束腰宽度以及大气湍流的强弱等因素密切相关.拓扑荷数目高的涡旋光束在湍流大气中传输时,其奇异性的保持较拓扑荷数目低的涡旋光束要好.另外,基于桶中功率理论,分析研究了涡旋光束的拓扑荷数目、大气湍流强弱和束腰宽度对贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时的光束质量的影响.     

角向偏振无衍射光束的传输特性及其偏振态研究

从理论和实验两个方面研究角向偏振无衍射光束在自由空间和障碍物空间中的传输特性. 理论上模拟了角向偏振无衍射光束在自由空间以及障碍物空间传播过程中的光强分布与偏振态变化情况. 实验中利用高斯光束先通过偏振转换仪, 再入射到轴棱锥上产生角向偏振无衍射光束. 进而研究其在空间中的传输情况, 并通过分析其经过扇形障碍物后光强分布变化情况讨论障碍物对偏振态的影响和光束的自重建特性. 结果表明: 障碍物遮挡区域光强沿z轴方向逐渐恢复, 且阴影区域沿障碍物所在位置的相反方向移动; 光束的偏振态局部发生变化, 该变化与障碍物所在位置有关. 理论仿真和实验结果一致.     

径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的模拟研究

基于交叉谱密度函数以及相干偏振统一理论,导出径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性.通过理论分析和数值计算可知,径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,光束以固定的螺旋半径进行螺旋传输.且在传输过程中,光束逐渐由螺旋空心光束演变为螺旋高斯光束,这一过程所需的传输距离与相干长度有关.该光束的偏振角和偏振度都会受到螺旋半径和传输距离的影响,同时,相干长度的变化也会影响偏振度的分布.而相干长度,传输距离和螺旋半径的改变并不会影响光束的偏振椭圆率的分布.     

径向偏振螺旋贝塞尔光束的传输特性及其自重建

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射理论,导出径向偏振螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性和传输过程中光束偏振态的变化,及其通过扇形障碍物后的自重建特性.理论分析和数值计算发现:径向偏振螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,在一定传输区域内,光束以空心光束的形态绕光轴做离轴螺旋传输,光束的发散角为零并一直保持着径向偏振的特性;在光束的自重建过程中,始终保持离轴螺旋传输特性,随着传输距离的增加,原本在遮挡区域消失的能量,被逐渐衍射至障碍物遮挡区域的相反位置.     

涡旋光束在反射中的正交偏振特性研究

本文从角谱理论出发建立了涡旋光束在空气-玻璃界面反射时的傍轴传输模型, 并研究了反射过程中诱导产生的正交偏振效应. 当一水平偏振涡旋光束以不同角度入射时, 反射光束的正交偏振分量呈现出类似于一阶厄米-高斯模式的双峰强度分布, 而水平偏振分量强度分布呈现与入射光束相似的分布, 且只在布儒斯特角附近入射时才现出与正交偏振分量垂直的双峰分布. 对于任意线偏振入射光, 其正交偏振分量的偏振方向不再垂直于入射时的偏振方向, 而是与反射光束的中心波矢垂直, 此时正交偏振分量出现有趣的旋转特性, 其物理原因归结于任意线偏振光入射时所对应的水平与垂直偏振分量的反射系数不同. 最后进行了相关实验验证, 发现实验结果与理论分析符合得较好. 关键词： 正交偏振 涡旋光束 任意线偏振     

非偏振贝塞尔高斯光束的球散射

无衍射光束球散射性质的研究目前一般采用贝塞尔光束,但是贝塞尔光束在物理上是不可实现的。贝塞尔高斯光束作为近似无衍射光束,是亥姆霍兹方程在傍轴条件下的解,并且可以用激光振荡器直接产生,但其光束宽是有限的。应用傅里叶变换,平面波谱展开和球面矢量波函数展开法,推导了非偏振贝塞尔高斯光束的球散射远场的无量纲散射函数。通过数值模拟,对非偏振的贝塞尔高斯光束与贝塞尔光束,高斯光束的球散射远场进行了比较,比较发现:当球散射体偏离光轴时,非偏振贝塞尔高斯光束跟贝塞尔光束散射远场的差异主要是散射强度的差异,但是散射极点所在的方向基本保持不变;贝塞尔高斯光束和贝塞尔光束的散射在光束圆锥角方向上比较显著,但高斯光束的前向散射比较显著。     

高阶贝塞尔-高斯脉冲光束相位奇点的演化

 推导出被光阑衍射高阶贝塞尔-高斯脉冲光束的场和光强分布的解析公式,对其相位奇点的演化特性做了计算和分析。结果表明,高阶贝塞尔-高斯脉冲光束经光阑衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒。随脉冲频率和脉冲宽度增加,等相位线均沿逆时针方向旋转,涡旋核随脉冲频率增加而减小,而脉冲宽度对涡旋核大小几乎无影响。等相位线随截断参数和传输距离的增加分别沿逆时针和顺时针方向旋转,涡旋核大小随截断参数增加而变化,随传输距离和光束阶数的增加而增大。     

高阶贝塞尔-高斯脉冲光束相位奇点的演化

推导出被光阑衍射高阶贝塞尔-高斯脉冲光束的场和光强分布的解析公式,对其相位奇点的演化特性做了计算和分析。结果表明,高阶贝塞尔-高斯脉冲光束经光阑衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒。随脉冲频率和脉冲宽度增加,等相位线均沿逆时针方向旋转,涡旋核随脉冲频率增加而减小,而脉冲宽度对涡旋核大小几乎无影响。等相位线随截断参数和传输距离的增加分别沿逆时针和顺时针方向旋转,涡旋核大小随截断参数增加而变化,随传输距离和光束阶数的增加而增大。     

非均匀关联径向偏振部分相干光的产生

从理论和实验两方面对非均匀关联径向偏振部分相干光的产生进行了研究.理论上,基于相位关联与相干度的联系,推导出了非均匀关联径向偏振部分相干光的2×2阶交叉谱密度矩阵及相干度分布.实验上,利用一个相位型液晶空间光调制器的不同区域,对入射的完全相干的径向偏振光的两个正交偏振分量分别加载随机相位调制,并实验测量了这种光束的相干度分布及其对光强分布的影响.实验结果验证了光束相干度的非均匀关联结构,并且通过改变随机相位的高斯调制半宽可以改变光束的相干性分布.研究表明,随着随机相位的高斯调制半宽的增加,光束中两点间的相干度逐渐减小,其光强分布由圆环状逐渐变化为类平顶的光强分布.这种非均匀关联的径向偏振部分相干光在激光微操纵和材料加工等领域具有一定的潜在应用价值.     

部分相干螺旋自加速贝塞尔光束

理论分析了螺旋贝塞尔光束的产生机理。根据高斯-谢尔模型的交叉谱密度公式及交叉谱密度传播理论,推导得出了部分相干螺旋贝塞尔光束的表达式。研究了部分相干螺旋贝塞尔光束的传输特性,同时分析了相干度对其传输特性的影响。结果表明,随着传输距离的增加,光束截面光强分布对比度逐渐下降,光场分布由贝塞尔型分布逐渐向高斯型分布转变,但是光束仍具备螺旋自加速特性;高阶光束出现了暗核消退现象,并且暗核消退距离随阶数的增加而增加。随着相干长度的下降,贝塞尔光场分布区间逐渐减小,光束的无衍射距离缩短。同时,探讨了光场调控对光束的影响,其中包括了全息片的参数设定以及光场相干度的调节。     

基于高次谐波产生的极紫外偏振涡旋光

突破传统涡旋光场束缚,发展短波极紫外涡旋光场是实现阿秒脉冲偏振控制的有效途径.本研究利用自制的平场光栅光谱仪和超快时间保持的单色仪,以800 nm,35 fs高斯或具有偏振奇点的涡旋光脉冲驱动诱导氩原子产生高次谐波,分别获得相应的高次谐波光谱以及谐波谱单阶光源的分布.实验结果表明,基于高次谐波产生实现近红外波段的涡旋光束特性转移到极紫外波段,优化后的极紫外涡旋可以实现每秒108光子数输出.同时发现极紫外波段的涡旋场和高斯场高次谐波产生具有相似相位匹配机制.基于高次谐波产生的极紫外波段的偏振涡旋光为探究和操控原子分子量子态的含时演化动力学以及形成阿秒矢量光束提供了重要的方法和技术手段.     

高斯-谢尔模型光束在海洋湍流中偏振传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射原理和光束的偏振相干统一理论,研究了高斯-谢尔模型光束在Kolmogorov海洋湍流中传输时偏振特性的变化规律,得出了保持偏振特性不变时的条件.在此基础上,研究了完全偏振线偏振光与圆偏振光在海洋湍流中的偏振传输特性,结果表明:在Kolmogorov海洋湍流下,完全偏振的高斯-谢尔模型光束的偏振特性不受海洋湍流影响.     

宽频带径向偏振光束的产生及传输特性

从理论和实验两方面研究宽频带径向偏振光束的产生及其传输特性。分析光束时间相干性和空间相干性对径向偏振光束的产生和传输的影响。数值模拟了宽频带径向偏振光束的传播。实验上,通过径向偏振转换器,得到径向偏振光束。通过调整入射光束的传输距离来改变光束空间相干性,研究了不同空间相干度下宽频带径向偏振的传输特性。同时还考察了光束偏振度的变化,给出了偏振度发生变化的条件,理论和实验符合较好。     

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.     

球差对圆偏涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用理查德-沃耳夫矢量衍射积分,分析了初级球差对圆偏振涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响,获得不同球差系数下的光强分布.结果表明,当初级球差系数增加,会聚光点偏离系统焦平面,纵向光场发生改变;焦点光强逐渐减小,焦平面光场发生变化;光轴上光强峰值逐渐减小,峰值两侧的旁瓣变化趋势相反,光强由对称分布变成非对称分布;初级球差对贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响不依赖其偏振态;离焦无法完全补偿初级球差对聚焦光场的影响.     

光阑对偏振高斯-谢尔模型光束偏振特性的影响（英文）

根据广义惠更斯-菲涅尔原理和Collins公式,基于复高斯函数展开法,推导出椭圆偏振的高斯-谢尔模型光束经过矩形光阑衍射后的交叉谱密度公式,结合斯托克斯矢量理论推导了椭圆偏振高斯-谢尔模型光束在接收平面的光强、偏振度、方位角和椭圆度的表达式,数值分析了光阑的孔径遮拦比对光强、偏振度及方位角和椭圆度的影响.结果表明,光阑的孔径遮拦比在近场区对经过光阑后椭圆偏振高斯-谢尔模型光束的光强和偏振特性有显著影响;随着传输距离的增大,光强和偏振特性受孔径遮拦比的影响减小,光强和偏振特性变化平稳.     

贝塞尔高斯光束在各向异性湍流中的传输特性

采用随机相位屏仿真方法模拟了各向异性大气湍流及贝塞尔高斯涡旋光束在其中的强度分布、在轴闪烁指数和抖动效应,分析了各向异性湍流参数和波源参数对涡旋光束传输质量的影响.结果表明,在各向异性大气湍流中,贝塞尔高斯涡旋光束的强度分布随传输距离的变化情况与离轴距离有关,仅一级圆环处强度值单调递减,其余次级圆环处强度值均呈现先增后降的趋势.在近距离处,贝塞尔高斯涡旋光束的在轴闪烁指数随波形参数的增大而减小,随光束宽度的增大呈现先上升后下降再上升的趋势,该现象与贝塞尔高斯光束的光斑尺寸大小相关;其抖动效应随波形参数、拓扑荷数量、波长和束腰半径的增大而减弱.但在远距离处贝塞尔高斯涡旋光束的闪烁效应和抖动效应随波形参数的影响与近距离处相反,这与贝塞尔高斯光束的展宽突然增大的现象一致.贝塞尔高斯涡旋光束在各向异性湍流大气中的抖动效应小于在各向同性湍流大气中的情况,并且在远距离处大于拉盖尔高斯涡旋光束的抖动效应.     

非傍轴径向阵列高斯激光束的传输特性

推导出相干和非相干非傍轴径向阵列高斯激光束的传输公式,并用以研究了径向阵列光束在自由空间的传输特性,重点分析了阵列光束参量对合成光束光强分布的影响。结果表明：阵列半径与束腰宽度之比是一个关键参量,当它固定时,相干和非相干合成光束的光强分布都保持不变,但合成光束的光强分布和远场轴上光强最大值都与合成方式有关。     

非傍轴径向阵列高斯激光束的传输特性

推导出相干和非相干非傍轴径向阵列高斯激光束的传输公式,并用以研究了径向阵列光束在自由空间的传输特性,重点分析了阵列光束参量对合成光束光强分布的影响。结果表明:阵列半径与束腰宽度之比是一个关键参量,当它固定时,相干和非相干合成光束的光强分布都保持不变,但合成光束的光强分布和远场轴上光强最大值都与合成方式有关。     

大气湍流中部分相干聚焦涡旋光束的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了部分相干高斯-谢尔模型涡旋光束被聚焦后在大气湍流中的传输特性,得到了焦平面上光强解析表达式.利用该表达式,详细研究了该类光束在大气湍流中传输焦平面上的光强分布特性.结果表明：在大气湍流中,随着传输距离的增加,涡旋光束的奇异性逐渐降低.对于拓扑荷大的以及空间相干长度较长的涡旋光束,光束奇异性的保持相对要好.在一定的焦距长度和湍流大气条件下,我们可以通过调整光源的拓扑荷和相干长度控制焦面光强分布和焦斑大小.另外,有一定拓扑荷的涡旋光束可以在一定程度上降低大气湍流对传输光束焦面光强分布的影响.