共轴双涡旋声束形成离轴多涡旋的定位

涡旋声束具有螺旋的相位波前,中轴线上形成声强为零的相位奇点,其所携带的轨道角动量在粒子操控领域有着广阔的应用前景。传统声涡旋只在传播轴线上形成一个拓扑荷可控的涡旋波束,这限制了声涡旋的应用灵活性。基于环形点声源阵列和相位编码技术,利用奇偶声源分别产生共轴双涡旋声束的声场叠加,在传播截面上形成了具有中心涡旋和子涡旋的离轴多涡旋声场;研究了双涡旋拓扑参数对离轴涡旋的个数、位置及拓扑荷的影响,基于声涡旋的径向声压和相位分布,确定了离轴涡旋的离轴半径,并结合声源位置推导子涡旋中心方位角的计算公式,实现离轴涡旋的精确定位。本研究突破了沿轴分布的涡旋声场只能形成单点涡旋势阱的操控局限,为利用离轴多涡旋实现多点粒子捕获提供了理论依据,促进涡旋声场在精确粒子操控和传输方面的高效应用。     

离轴平顶高斯涡旋光束形成的合成光涡旋及其在自由空间中的传输

对两束拓扑电荷m_1,2=±1的平行、离轴平顶高斯涡旋光束在束腰面叠加形成的合成光涡旋及其在自由空间的传输做了研究.详细的数值计算和分析表明,合光涡旋的位置、数目和净拓扑电荷与光束的控制参数,包括相对位相,振幅比,束腰宽度比,相对离轴参数,光束阶数,以及传输距离有关,但拓扑电荷不总是守恒. 关键词： 奇点光学 合成光涡旋 平顶高斯涡旋光束 拓扑电荷     

共轴光学系统轴上点多色差校正

光学系统计算的重要问题是最佳地平衡剩余象差。平衡剩余单色差在引文[1,3]已充分地进行了研究,这里着重研究多色差校正的重要情况。对于绕射限制系统(当其色差很小时)波差均方根是单色象差影响系统象质的很好判据:δ=E~(1/2)=(W+W~2)~(1/2)(1)式中E——波差的离散;W和W~2——波差在光瞳上的平均值和平方平均值。象马列萨尔指出的那样,当E很小时,象差仅与斯特列尔数有关(中心点强度):     

离轴高斯涡旋光束的深聚焦特性

基于德拜矢量衍射积分理论,对离轴高斯涡旋光束经过大数值孔径透镜后聚焦场的特性进行了研究,获得了离轴高斯涡旋光束深聚焦后复振幅分布函数,在此基础上对离轴高斯涡旋光束深聚焦场的光强和相位分别进行了分析.数值模拟结果表明:离轴距离的改变对高斯涡旋光束在焦平面上的光强分布和相位分布会产生影响,离轴距离的增加会加剧聚焦场光强在y轴方向上分布的差异,而离轴距离的符号决定了光强集中区域的方向.另一方面,与一阶离轴涡旋光束不同,高阶离轴涡旋光束经过深聚焦后会发生暗核分裂现象,出现多个相位奇点,奇点个数等于原始光束对应的拓扑荷数,且分裂后的奇点具有明显的对称性.研究表明,这种暗核分裂现象由大数值孔径透镜深聚焦引起.     

Gauss声束对离轴椭圆柱的声辐射力矩

利用部分波展开法求解得到了Gauss声束入射下刚性和非刚性椭圆柱的声散射系数,推导了一般情况下的声辐射力矩表达式.在此基础上,通过一系列数值仿真详细分析了离轴距离、入射角度和束腰半径对声辐射力矩的影响.结果表明:正向与负向声辐射力矩均可以在一定条件下存在;低频情况下刚性椭圆柱比非刚性椭圆柱更容易产生较强的声辐射力矩;特定频率的入射声场可以激发出非刚性椭圆柱不同阶的共振散射模式,因而非刚性椭圆柱的声辐射力矩峰值与频率的关系更密切;增加束腰半径有利于扩大散射截面,进而增加椭圆柱的声辐射力矩.该研究结果预期可以为利用声辐射力矩实现粒子的可控旋转和流体黏度的反演提供一定的理论指导.     

离轴径向偏振光束及其传输特性

基于Wolf近轴传输理论, 导出离轴径向偏振光束光强的解析表达式, 并研究离轴量对离轴径向偏振光束传输中光强分布的影响, 同时根据一阶矩质心位置的定义推导出离轴径向偏振光束的质心坐标, 研究其质心位置的变化规律. 结果表明, 与径向偏振光束不同, 离轴径向偏振光束在近场处传输时光强分布不均匀, 随着传输距离的增加, 光强分布均匀性逐渐得到改善, 而径向偏振光束在传输中始终保持空心对称光斑. 离轴量较小时, 近场处光强分布呈非对称空心面包圈形, 随着传输距离增达到一定程度, 光强分布演化为对称空心面包圈形, 离轴量越小, 演变距离越短; 离轴量较大时, 随着光束的传输离轴径向偏振光束的空心部分消失, 逐渐由空心面包圈形向高斯型演变, 径向偏振光束特性消失. 另一方面, 离轴径向偏振光束的质心不随传输距离的改变而改变. 质心纵坐标恒为零, 质心横坐标与光斑尺寸及离轴量相关. 随着光斑尺寸增大, 质心横坐标成线性增长. 当离轴量较小时, 质心横坐标随离轴量的增大呈非线性增长, 增长量不明显; 离轴量较大时, 质心横坐标随离轴量的增大呈线性增长, 且变化明显.     

非近轴近似多高斯声束模型的相控阵换能器声场计算

针对近轴近似的多高斯声束模型无法准确计算离轴区域声场的问题,我们提出了一个矩形源的非近轴近似多高斯声束模型,用于计算偏转聚焦时线性相控阵换能器辐射的声场。利用该方法计算了由矩形阵元组成的相控线阵的辐射声场,并与瑞利积分、近轴近似方法及夫琅和费近似方法进行了分析和对比,计算结果表明该方法克服了常规近轴近似条件的限制,可以准确、快速地计算较大偏转范围内的换能器辐射声场,在计算相控阵换能器偏转聚焦声场中具有独特的优势。     

离轴涡旋光束弱走离条件下的倍频效应

利用耦合波截断方程推导了无走离及弱走离条件下离轴涡旋光束经过负单轴晶体后产生倍频光的归一化电场及光强表达式. 主要分析了离轴量、弱走离角及晶体长度对于输出倍频光的影响. 研究结果表明: 不考虑走离效应时, 倍频光两暗核重合于轴上点, 而具有弱走离效应时, 暗核位置沿走离方向有所偏移, 并且两重合暗核产生分离, 截面上发生分离的方向垂直于存在走离的方向, 其中产生的偏移量与离轴量、走离角及晶体长度有关, 而分离的距离只与走离角及晶体长度相关. 具体表现为: 当离轴量增大, 倍频光两暗核沿存在离轴方向所产生的偏移增大, 而暗核间的分离距离不受离轴量影响, 当走离角、晶体长度增大时, 两暗核沿存在走离方向所产生的偏移增大, 同时, 暗核间的分离距离也有所增大. 此外, 通过对比发现, 传输晶体长度的缩小, 可以减小暗核沿存在走离方向或是存在离轴方向所产生的偏移, 同时也可以减小由离轴量与走离角所产生的暗核分离距离, 一定程度上对输出的倍频光起到校正作用.     

非同轴双束激光产生的等离子体辐射

采用非同轴双束激光，可得到时空差可控的二束不同性质的等离子体，实现在绝对同等条件下研究多束等离子体辐射的空间非均匀性和等离子体喷射对线加宽的影响。实验结果显示出在最简单的实验装置上实现等离子体强Ｘ射线泵浦Ｘ射线激光方案的可能性。     

地平式离轴扩束光学系统装调技术

为实现地平式离轴扩束光学系统的高精度装调,利用4D干涉仪加装平面镜头配合标准平面镜实现自准直检测,并针对实际使用过程中镜筒需要绕俯仰轴旋转的问题,提出一种动态检测方法。根据实际装调结果,建立空间直角坐标系,利用旋转过程中光斑最大偏离量计算二轴正交误差。装调结果表明,采用自准直检测及动态检测方法,主镜面形精度为0.028 8λ@632.8 nm,系统波像差RMS为0.131λ@632.8 nm,二轴正交误差为2.06″。     

Multiple off-axis acoustic vortices generated by dual coaxial vortex beams

As a kind of special acoustic field, the helical wavefront of an acoustic vortex(AV) beam is demonstrated to have a pressure zero with phase singularity at the center in the transverse plane. The orbital angular momentum of AVs can be applied to the field of particle manipulation, which attracts more and more attention in acoustic researches. In this paper,by using the simplified circular array of point sources, dual coaxial AV beams are excited by the even-and odd-numbered sources with the topological charges of l_E and l_O based on the phase-coded approach, and the composite acoustic field with an on-axis center-AV and multiple off-axis sub-AVs can be generated by the superimposition of the AV beams for|l_E| ≠ |l_O|. The generation of edge phase dislocation is theoretically derived and numerically analyzed for l_E=-l_O. The numbers and the topological charges as well as the locations of the center-AV and sub-AVs are demonstrated, which are proved to be determined by the topological charges of the coaxial AV beams. The proposed approach breaks through the limit of only one on-axis AV with a single topological charge along the beam axis, and also provides the feasibility of off-axis particle trapping with multiple AVs in object manipulation.     

两束离轴高斯光束干涉场中的横向光涡旋

研究了两束离轴高斯光束干涉场中的波前结构以及横向光涡旋.研究表明干涉场中的相位鞍点以及涡旋点的位置与光束的离轴参数、束腰宽度、相位以及相对振幅有关.相位鞍点既可位于涡旋点的内侧，也可以位于涡旋点的外侧，且控制参数取一定值时，相位鞍点将与涡旋点重合.对于离轴光束，XZ平面两侧的相位鞍点与涡旋点相遇时所对应的控制参数并不相同，且XZ平面上相位鞍点相遇时所对应x值，一般情况下与涡旋点相遇时所对应的x值不相同.     

Indistinguishability limit for off-axis vortex beams in uniaxial crystals

The circular polarization components of a vortex beam in a uniaxial crystal exhibit complex propagation characteristics. We demonstrate how the amount of splitting may be distinguished by use of a vortex beam. We predict and experimentally verify a threshold angle subtending the crystal and beam axes, below which the splitting is indistinguishable.     

Composite optical vortices in two noncollinear cosh-Gaussian vortex beams and their propagation properties in free space

The composite optical vortices (OVs) formed by superimposing two parallel, noncollinear cosh-Gaussian (ChG) vortex beams at the waist plane and their propagation in free space are studied. The dependence of the number, position and net topological charge of composite OVs on the control parameter, such as the relative phase, amplitude ratio, waist-width ratio, relative off-axis distance and decentered parameter, and on the propagation distance is illustrated numerically. A comparison with the previous work is also made.     

Study correlation vortices in the near-field of partially coherent vortex beams diffracted by an aperture

We have derived the analytical expression of the electric cross-spectral density in the near-field of partially coherent vortex beams diffracted by an aperture. Taking the Gaussian Schell-model vortex beam as a typical example of partially coherent vortex beams, the spatial correlation properties and correlation vortices in the near-field of partially coherent vortex beams diffracted by a rectangle aperture are studied. It is shown that the off-axis displacement, spatial degree of coherence parameter, propagation distance, and the opening factor of the aperture affect the spectral degree of coherence and positions of correlation vortices. With the optimization algorithm, we obtain the symmetric distributing coherent vortex.     

Using coaxial reflectors to transform multiple axisymmetric beams

A coaxial reflective optical system (CROS) is proposed for improving the spot size and combined-distance of multiple axisymmetric beams. As a reflective shaping system, the CROS can be easily designed for this aim using the method of the matrix optics. A numerical simulation of the transformed beams is presented and analyzed. The results show that multiple axisymmetric beams can be transformed to a new form with a smaller spot size and longer combined distance using the CROS. The method we proposed is simple and effectual in material processing.     

部分相干双曲正弦-Gauss涡旋光束叠加形成的合成相干涡旋在非 Kolmogorov 大气湍流中的动态演化

一些实验表明, 实际大气会偏离理想Kolmogorov模型. 本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Toselli等提出的非Kolmogorov湍流模型, 推导出部分相干双曲正弦-Gauss (HSG)涡旋光束通过非Kolmogorov大气湍流的解析传输公式, 并用以对两束部分相干HSG涡旋光束相干叠加和非相干叠加形成的合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中的动态演化进行了研究. 结果表明, 合成光束平均光强的演化过程与非Kolmogorov湍流的广义指数α, 源平面上叠加涡旋光束拓扑电荷的符号, 以及叠加方式有关. 合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中传输时会出现移动、产生和湮灭. 广义指数α, 拓扑电荷符号, 以及叠加方式都会影响其演化行为. 最后, 将本文所得结果与相关文献做了比较.     

Irregular scattering of acoustic rays by vortices

The scattering of high-frequency sound wave, under geometrical acoustic approximation, by three stationary vortices in two dimensions is investigated. For a sufficiently high Mach number of the vortex flow, the scattering of sound rays becomes irregular, displaying a new example of chaotic scattering for a time-reversal breaking system. The fractal dimension, as well as the unstable and stable manifolds of the scattering dynamics, is presented.