高斯光束通过复杂光学系统的变换

使用矩阵光学技巧和方法详细研究了高斯光束通过复杂光学系统的传插问题。将结果推广于:(1)物像空间析射率不相等(n_1≠n_2);(2)光学系统矩阵元为复数或C元素为零的情况。就高斯限模光阑对光束传输的影响作了讨论。经典光学和高斯激光束光学(n_1≠n_2,n_1=n_2)的比较,清楚地说明了它们的区别和联系。     

高光束质量高斯非稳腔固体激光器研究

为了获得高光束质量的脉冲固体激光输出,研究了高斯非稳腔固体激光器的模式分布。运用边界有限元法将谐振腔内光场衍射积分方程转化成矩阵方程组,模拟分析了平凸高斯非稳腔内光阑位置、孔径大小以及高斯镜参数对输出光束模式的影响。基于理论模拟结果对激光器结构参数进行了优化,分别测量了腔内不同光阑位置和孔径下的激光器输出光束振幅及模式分布情况。在光阑半径为1 mm、光阑距高斯镜为150 mm、泵浦电压为900 V的实验条件下,光束质量M_x~2=1. 9、M_y~2=2. 3,激光最大输出能量为280 mJ的高光束质量激光输出。实验结果表明,在腔内加入选模光阑以及优化高斯镜参数可以进一步改善腔内模式分布,获得高光束质量激光输出,这与理论模拟结果基本相符。     

高斯光束通过多光阑B=0成像系统传输的解析公式研究

采用将硬边光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法和A0CD矩阵分解的技巧，推导 出了高斯光束通过多光阑B=0光学成像系统解析的传输公式，并用典型数值计算例加以说明. 最后，指出了所用方法的优点. 关键词： 硬边光阑 复高斯函数 传输方程 矩阵分解     

高斯光束通过含失调窄缝光阑的失调光学系统的传输特性

 利用硬边窄缝光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了高斯光束经含失调窄缝光阑的失调光学系统传输的近似解析式。模拟结果表明输出光束场分布与光束参量、光阑尺寸、ABCD矩阵元、光阑失调量和光学系统失调量有关。针对给定的光学系统和高斯光束定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明:光阑横向位移、光学系统横向位移和角位移均引起垂直于z轴截面内明显的光强非轴对称分布。当光阑半宽度为1 mm时,光阑的衍射作用使腰斑半径为0.5 mm的高斯光束产生-1.586π～1.465π范围的相对相移,且光阑横向位移、光学系统横向位移和角位移均引起焦平面前后相对相移的迅速变化。随光阑宽度变小,各失调量对输出光束特性的影响越明显。     

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.     

高斯轨迹参量的线性变换对于电子光学象差的影响

本文从比较普遍的观点出发,采用矢量形式描写高斯轨迹,运用矩阵形式表示象差,从而讨论了普遍的高斯轨迹参量线性变换下的电子光学系统的三级象差和象差系数及其偏微商。由此得到了电子光学广义的Fraunhofer条件(即消除各向同性和各向异性彗差的条件),证明了在此条件下,象散和场曲取极值或稳定值。利用上述的普遍公式和结果,讨论了固定束和扫描束电子光学系统中光阑位置变化的影响,还讨论了阴极发射系统中磁浸没的影响。 关键词：     

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。     

部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性

根据光束的相干-偏振矩阵和传输理论,对部分相干平顶光束经正多边形光阑衍射的偏振特性进行了系统的研究.给出了部分相干平顶光束偏振度传输公式,并将高斯-谢尔模型光束以及部分相干平顶光束在自由空间传输的偏振度作为特例统一于一般表达式中.研究表明：部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性与光阑截断参数、光束的空间相干性、衍射角、传输距离、平顶光束的阶数有关. 关键词： 部分相干平顶光束 偏振特性 相干-偏振矩阵 正多边形光阑 光阑衍射     

应用场光线传递方程计算鱼眼镜头像场像差

应用场光线传递方程,从鱼眼镜头的孔径光阑处,逆向追迹场光线传递方程,确定任意视场角场光线的初始位置,即光阑球差.正向追迹场光线计算鱼眼镜头系统物、像空间视场角之间的关系曲线;用多项式拟合求出关系曲线的解析表达式.通过反演运算,根据畸变图像复原物的图像分布,达到消除鱼眼镜头成像系统畸变的目的.最后,计算了一个160°鱼眼镜头光学系统的光阑球差和图像的畸变,并应用本文方法复原物的图像分布.计算结果表明:光阑球差的计算结果与真值的相对误差小于1%;复原的物方图像径向高度相对误差小于0.25%,说明本文计算鱼眼镜头像场像差的方法是可行的.     

被光阑衍射部分偏振高斯-谢尔模型光束的远场特性

从部分相干光的传输理论出发,采用光束相干-偏振矩阵方法研究了被光阑衍射部分偏振高斯-谢尔模型光束的远场特性,对远场偏振和光强特性作了详细的数值计算和物理分析。研究结果表明,光阑衍射部分偏振高斯-谢尔模型光束的远场特性与光阑截断参量、光的空间相干性和衍射角有关。并与自由空间的传输特性和以前的工作作了比较分析。     

非均匀偏振光束通过环状光阑像散透镜的聚焦特性

借助于光束相干偏振矩阵和广义惠更斯－菲涅耳衍射积分公式,研究了非均匀偏振(NUP)光束通过环状光阑像散透镜的聚焦特性,并将圆孔光阑作为环状光阑内径为零的特例处理.数值计算结果表明,实际焦点位置、光强和偏振度分布与透镜的像散、环状光阑的菲涅耳数和遮拦比以及NUP光束参量有关.     

部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性

根据光束的相干-偏振矩阵和传输理论，对部分相干平顶光束经正多边形光阑衍射的偏振特性进行了系统的研究.给出了部分相干平顶光束偏振度传输公式，并将高斯-谢尔模型光束以及部分相干平顶光束在自由空间传输的偏振度作为特例统一于一般表达式中.研究表明：部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性与光阑截断参数、光束的空间相干性、衍射角、传输距离、平顶光束的阶数有关.     

波前编码系统相位板视场效应的消除

通过在光学系统的光阑面上加入一个非球面相位板,使得光学系统的成像对离焦不敏感.但当入射视场角较大时,图像的边缘发生变形且难以恢复.针对此问题,提出了两种解决方案,方案一是把相位板移至光路中光线较为平缓的区域,但不是系统的光阑位置;方案二是保持相位板位置不变,优化整个光学系统,使相位板前的光线能够平缓地入射到相位板.实验中对一个EFL=12.5 mm,F/#=1.3,半视场角为13.5°的波前编码实际系统进行仿真比较,得出方案二可以有效地消除波前编码相位板引入的视场效应.     

几种新型全反射棱镜式环形激光器的模式选择技术

根据全反射棱镜式环形激光器(TRPRL)的矩阵光学理论和环形He-Ne激光器内环形激光的工作理论,研究了TRPRL的激光模式选择技术方法,可令环形激光器内的顺时针和逆时针两个方向上的激光工作在单谱线、单横模、单纵模的状态,从而在环形激光器内形成稳定的驻波,输出到光电探测器上稳定的干涉条纹信号波形。采用缩短TRPRL的毛细管直径方法,可抑制3.39μm谱线;由于TRPRL的特殊的环形激光器结构,采用分立式特殊结构设计的选频光阑,选频光阑可以放到环形激光器的光路任意位置处,而多个选频光阑即可有效抑制1.15μm的谱线;根据不同波长激光腰斑半径的不同,在光腰处采用特制的椭圆小孔光阑,抑制0.63μm激光的高阶横模。对于TRPRL在全反射棱镜式激光陀螺(TRPLG)中的应用具有重要意义。     

厄米-余弦-高斯光束通过具有光阑光学系统时的传输特性

当厄米_余弦_高斯光束通过带有矩形光阑的一阶ABCD近轴光学系统时,可由Collins公式给出其场分布的积分形式。将其中硬边光阑的窗口函数写成矩形函数,并将矩形函数用高斯函数展开,通过积分可得到由光阑限制的厄米_余弦_高斯光束传输的解析式。分析和讨论了厄米_余弦_高斯光束通过具有圆孔光阑限制的薄透镜系统时的情况,其结果与直接用广义衍射积分公式进行复杂数值计算时的结果完全一致。这样不仅便于进行物理分析,而且也节省了计算机的计算时间。     

用矩阵方法设计变焦镜头

传统上，在设计变焦距镜头时都要利用高斯光学求解变焦距的各组元焦距、组间隔。与传统方法不同的是，该文利用矩阵光学理论，建立变焦距镜头的光线传输矩阵，并以此矩阵建立非线性方程组，然后用数学软件对其求解，得到各组元的焦距、组间隔等参数。最后以设计一个普通的摄像物镜为例，演示了矩阵光学在设计变焦距镜头中的应用。     

贝塞耳函数调制的高斯光束通过有光阑ABCD光学系统的传输

基于惠更斯菲涅尔广义衍射积分,对变量为径向平方的贝塞耳函数调制的高斯光束(QBG光束)通过有圆孔光阑限制的一阶ABCD光学系统的传输进行了研究.采用将圆域函数可表示为复高斯函数叠加的方法,推导出了普适的场分布解析公式,以QBG光束通过有圆孔光阑限制的薄透镜系统为例进行了分析与讨论,数值计算结果证明了本文所用方法的优点,所得结果与直接用广义衍射积分公式进行复杂的数值计算结果完全一致 关键词： QBG光束 光阑 ABCD光学系统 传输特性     

拉盖尔-高斯截断级数展开法的应用

 用拉盖尔-高斯截断级数模拟了任意半径的圆孔硬边光阑窗口函数,并应用于研究高斯光束和零阶贝塞尔-高斯光束通过硬边光阑的衍射。对高斯光束和零阶贝塞尔-高斯光束的轴向和横向光强分布的计算结果表明：当积分面不是很靠近光阑时,用参数最佳化选取的拉盖尔-高斯截断级数法与用直接数值积分所得结果符合很好。     

超短脉冲经线性小孔阵列衍射时的光谱开关特性

研究了超短高斯脉冲光束经线性排列的矩形光阑阵列衍射后的远场光谱奇变现象。基于菲涅耳积分公式,通过将光阑函数展开为有限项复高斯函数的叠加,得到了超短脉冲光束经线性排列的小孔光阑阵列衍射后的谱强度解析表达式,并对衍射场的光谱红移和蓝移现象进行了数值计算和分析,分析了小孔间距和光阑半径对光谱强度的影响。研究表明:在衍射场的某些观测点,即在调制函数为零的位置附近,存在光谱开关现象。     

截断光束的二阶矩矩阵

采用复高斯展开法和维格纳分布函数(WDF),推导出了截断光束的二阶矩矩阵通过大气湍流的传输公式。研究表明,将硬边光阑的复高斯展开函数引入z=0平面处的WDF中,能够避免截断光束二阶矩的积分发散问题,得到z=0平面处二阶矩的解析结果,并且保证了精度,从而方便地得到截断光束在大气湍流中传输的二阶矩矩阵。实验所得到的结果具有一般性,即无截断光束的二阶矩矩阵通过大气湍流传输和截断光束的二阶矩矩阵在自由空间的传输都可以分别作为特例给出。