非傍轴截断平顶光束的质量因子

 使用功率密度的二阶矩方法和Li提出的平顶光束模型，推导出了非傍轴截断平顶光束的束腰宽度、远场发散角和光束质量因子的解析表达式。计算结果表明：非傍轴截断平顶光束的质量因子不仅与截断参数、光束阶数有关，而且与初始束腰宽度和波长之比有关；当截断参数趋近于0时，远场发散角趋于渐近值63.435°；对于光束阶数为1和截断参数趋于无穷大的特例，计算结果分别退化为非傍轴截断高斯光束和非傍轴无截断平顶光束的结果；功率密度的二阶矩方法可用于截断光束，并克服了光束质量因子的发散困难。     

矢量非傍轴厄米-拉盖尔-高斯光束的光束质量

基于矢量Rayleigh-Sommerfeld衍射积分，推导出矢量非傍轴圆偏振厄米-拉盖尔-高斯(HLG)光束的远场解析表达式.矢量非傍轴圆偏振高斯光束可作为一般公式的特例给出.将桶中功率(PIB)概念推广到非傍轴范畴，用以描述矢量非傍轴光束的远场光束质量，其中光强用时间平均坡印廷矢量的z分量取代.数值计算和分析表明，矢量非傍轴HLG光束的PIB不仅与束腰宽度与波长之比w₀/λ有关，而且还与α参数，模指数n和m以及所取桶的尺寸有关. 关键词： 矢量非傍轴厄米-拉盖尔-高斯光束 矢量Rayleigh-Sommerfeld衍射积分 桶中功率     

双曲余弦-高斯光束经微小孔衍射的轴上光强特性

基于横截面上精确表述的光强和瑞利-索末菲衍射积分公式,通过数值计算分析双曲余弦-高斯光束经微小孔衍射的轴上光强特性,详细讨论了偏心参数、微小孔的孔径a和束腰宽度与波长之比w0/对双曲余弦-高斯光束轴上光强的影响。结果表明:双曲余弦-高斯光束的轴上光强分布依赖于偏心参数、孔径a、w0/参数和传输距离。     

非傍轴矢量异常空心光束的传输特性

 将Cai提出的异常空心光束的理论模型推广到非傍轴范畴,推导出非傍轴矢量异常空心光束传输的解析表达式,用以研究它在自由空间中的传输特性。研究表明,异常空心光束在传输过程中光束形状会发生变化。与高斯光束不同,非傍轴异常空心光束傍轴近似成立条件依赖于传输距离,这与异常空心光束光强分布随传输距离的变化有关。非傍轴异常空心光束远场的光束质量可用桶中功率来描述,桶中功率随f参数(波长与束腰宽度的比值)的增大而减小。     

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.     

矢量非傍轴双曲余弦-高斯光束

 引入了矢量非傍轴双曲余弦-高斯(ChG)光束概念。使用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式推导出了矢量非傍轴ChG光束在自由空间传输的解析公式。矢量非傍轴ChG光束轴上和远场的解析式以及傍轴结果作为一般传输公式的特例给出。研究表明,对矢量非傍轴ChG光束,其非傍轴性主要由f参数决定,但偏心参数会影响其横向光强剖面形状和非傍轴行为。     

几种描述光束傍轴性定义的比较研究

以平顶高斯光束为例,对光束傍轴度3种定义,即傍轴估计量、傍轴度和傍轴度修正式做了解析研究和计算分析。结果表明,当束腰宽度与波长之比很小时,三者存在显著差异,傍轴估计量会导致非物理结果。而对实际应用中感兴趣的束腰宽度与波长之比取中间值情况,傍轴度和傍轴度修正式得出类似的结果。因此,傍轴度和傍轴度修正值都可以用来描述光束的傍轴性。     

非傍轴双曲余弦-高斯脉冲电磁光束远场特性

利用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出了非傍轴部分空间相干部分光谱相干双曲余弦-高斯(ChG)脉冲电磁光束在自由空间传输时交叉谱密度矩阵的远场解析公式,并用来表示脉冲电磁光束的光谱密度(光强)和偏振度。结果表明,对非傍轴远场部分空间相干部分光谱相干ChG脉冲电磁光束,其非傍轴性主要由参数f, f决定,而离心参数、脉冲宽度和时间相干长度影响其非傍轴行为。非傍轴部分空间相干部分光谱相干高斯-谢尔模型脉冲电磁光束的远场传输可作为特例处理。     

非傍轴高斯光束通过方环硬边光阑的传输特性研究

利用矢量Rayleigh积分公式研究了非傍轴高斯光束通过方环硬边光阑的传输,得到了衍射场分布的解析表达式.和傍轴传输相比较,该结果具有更广泛的适用性.以桶中功率为光束质量评价函数,讨论了遮拦比、截断参数对远场光束质量的影响.结果表明,环形光阑的尺寸决定着非傍轴光束远场能量分布的集中程度,截断参数和遮拦比的增大都会导致非傍轴高斯光束衍射效应增强,从而远场能量发散.     

非傍轴洛伦兹光束的传输特性研究

基于光强二阶矩理论,推导出非傍轴洛伦兹光束的远场发散角、近场发散角、束腰宽度以及光束传输因子的解析表达式,并通过数值模拟,得到它们与对应束腰宽度以及波长的关系。结果表明:与非傍轴高斯光束相比,在满足二极管激光器物理机制的条件下,非傍轴洛伦兹光束更符合二极管激光束的实际情况,因此,非傍轴洛伦兹光束更适用于描述二极管激光器等光源尺寸小且发散程度较大的激光光源。     

湍流对M×N列阵双曲余弦高斯光束传输和远场光束质量的影响

基于广义惠更斯－菲涅耳原理,并采用光束的非相干合成方法,推导出了M×N双曲余弦高斯列阵光束在湍流中的三维光强传输方程.采用桶中功率、β参量和Strehl比作为光束质量的评价参量,研究了湍流大气对双曲余弦高斯列阵光束远场光束质量的影响.研究表明:在湍流大气中,双曲余弦高斯列阵光束的传输将经历三个阶段的变化,并且湍流使得光束传输经历三阶段的进程加快;湍流导致双曲余弦高斯列阵光束扩展、最大峰值光强下降,但是,β参量随光束数目M（N）、相邻子光束间距xd（yd）和光束参量δ的增加而减少,即光束扩展受湍流的影响减小;并且,存在最佳xd（yd）和δ值使得Strehl比取得极大值.因此,适当选取M（N）、xd（yd）和δ可以降低湍流对双曲余弦高斯列阵光束远场光束质量的影响.     

Nonparaxial propagation of spatially and spectrally partially coherent electromagnetic Cosh-Gaussian pulsed beams

Based on the generalized Rayleigh–Sommerfeld diffraction integral, the analytical expression for 3×3 cross-spectral density matrix of nonparaxial spatially and spectrally partially coherent electromagnetic Cosh-Gaussian (ChG) pulsed beams propagating in free space is derived, and used to formulate the spectral density and spectral degree of polarization of electromagnetic pulsed beams at the z-plane. It is found that the parameters f and f_αα are the key parameters in determining the nonparaxiality of spatially and spectrally partially coherent electromagnetic ChG pulsed beams. And the decentered parameter, pulse duration and temporal coherence length can change the nonparaxial behavior of the electromagnetic ChG pulsed beams. The effect of decentered parameter, pulse duration and temporal coherence length on the spectral density and spectral degree of polarization of electromagnetic ChG pulsed beams is illustrated through numerical calculations. Propagation of nonparaxial spatially and spectrally partially coherent electromagnetic Gaussian Schell-model pulsed beams can be treated as a special case when the decentered parameter of electromagnetic ChG pulsed beams approaches to zero.     

部分相干双曲余弦-高斯光束的传输特性和空间整形

 通过加入高斯项的空间相干度，引入部分相干双曲余弦-高斯（ChG）光束，推导出部分相干ChG光束通过近轴ABCD光学系统传输的解析表达式，并用以研究其传输特性和空间整形。结果表明，部分相干ChG光束的光强分布不能保持传输不变性，其光强分布不仅与传输距离和离心参数有关，而且还与空间相干参数有关。在传输距离固定时，适当改变部分相干ChG 光束的离心参数和空间相干参数，可实现光束的空间整形。光束质量因子随空间相干性的增大和离心参数的减小而减小。高斯-谢尔模型光束和完全相干ChG光束可作为部分相干ChG光束的特例处理。     

Far-field properties and beam quality of vectorial Hermite–Laguerre–Gaussian beams beyond the paraxial approximation

The far-field properties and beam quality of vectorial nonparaxial Hermite–Laguerre–Gaussian (HLG) beams are studied in detail, where, instead of the second-order-moments-based M² factor, the extended power in the bucket (PIB) and βparameter are used to characterize the beam quality in the far field and the intensity in the formulae is replaced by the z component of the time-averaged Poynting vector S_z. It is found that the S_z PIB and βparameter of vectorial nonparaxial HLG beams depend on the mode indices n, m, αparameter and waist-width-to-wavelength ratio w₀/λ and the PIB and βparameter are additionally dependent on the bucket's size taken.