径向阵列非傍轴椭圆高斯光束的相干和非相干合成

 从瑞利-索末菲衍射积分公式出发,推导出径向阵列非傍轴离轴椭圆高斯光束相干合成和非相干合成在自由空间中的解析传输公式,给出其远场分布和傍轴表示式。研究表明:合成光束的光强分布与f参数、径向阵列半径、光束数、传输距离和合成方式有关;N束光相干合成和非相干合成在远场的光强最大值分别为单光束在远场最大值的N₂和N倍。     

单口径相干合成系统激光光束的M2因子研究

单口径相干合成系统激光光束的光束质量是一个亟待解决的重要问题.基于二阶矩定义, 文中给出了单口径TEM₀₀, TEM₀₁及TEM₁₀两两相干光束M²因子的解析表达式, 并比较分析了束腰宽度、传输距离、振幅之比,以及源场位置矢量对相干光束M²因子的影响, 得到了诸如源场位置参量d₁<100λ时,各相干光束M²因子恒定,反之, 其随位置参量d₁的增大而增大等一些结论.最后,文章对两TEM₀₀模相干光束M²因子的 部分理论进行了实验验证.     

部分相干涡旋光束叠加场中的合成相干涡旋及其动态传输

对由两束平行、离轴部分相干平顶涡旋光束叠加形成的合成相干涡旋做了详细研究.结果表明:合成相干涡旋的数目和位置与光束阶数、相对离轴距离、相干参数以及相对传输距离有关.在部分相干范畴内“隐藏”的合成相干涡旋对应于完全相干范畴中的合成光涡旋.并且证明在相干极限下合成相干涡旋就演化为合成光涡旋. 关键词： 相关奇点光学 合成相干涡旋 部分相干平顶光束 离轴合成     

平顶光束和平顶涡旋光束对金属瑞利粒子的光学俘获

 使用聚焦平顶光束和平顶涡旋光束,以金为例,对金属瑞利粒子辐射力和俘获稳定性进行了分析,着重研究了拓扑电荷和光束阶数对辐射力的影响。结果表明,随着拓扑电荷和光束阶数的增大,最大光强和辐射力随之减小;平顶光束可以俘获金瑞利粒子,俘获微粒的牢固性和俘获范围随着光束阶数增大而减小,而平顶涡旋光束的梯度力不能作为回复力,因此不能俘获。最后,还讨论了不同光强分布下,俘获金属瑞利粒子时复介电常数需满足的必要条件。     

非傍轴部分相干厄米-高斯光束的相干和非相干合成

推导出二维非傍轴部分相干厄米-高斯（H-G）光束相干合成和非相干合成的交叉谱密度和光强的解析公式,并分析了一些特例. 合成光束的光强不仅决定于f参数,f_σ参数,离轴参数,合成光束的束数和阶数以及传输距离z,而且还决定于合成方式. 对部分相干光的相干合成和非相干合成概念做了物理诠释,其正确性为数值计算例证实. 关键词： 部分相干光的相干和非相干合成 非傍轴部分相干厄米-高斯（H-G）光束 自由空间中的传输方程     

湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响

研究了湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响.推导出了相干合成光束的传输方程.采用二阶矩束宽、桶中功率和参数β作为光束质量评价参数比较了离轴列阵高斯光束通过湍流大气的相干与非相干合成,并对主要结果给予了合理的物理解释.研究表明：一方面,不论是相干合成还是非相干合成,湍流都使得合成光束扩展、峰值光强下降,并且子光束数越多,合成光束受湍流影响就越小.另一方面,非相干合成光束较相干合成光束受到湍流的影响要小. 关键词： 相干与非相干合成 湍流大气 离轴列阵高斯光束     

聚焦部分相干涡旋光束作用于不同折射率瑞利粒子上的辐射力

 使用聚焦部分相干高斯谢尔涡旋光束,对不同折射率的瑞利粒子的辐射力做了分析,着重研究了相关长度和束腰宽度对辐射力和俘获稳定性的影响。结果表明：相关长度和束腰宽度分别存在临界值,相干长度小于等于其临界值或束腰宽度大于等于其临界值时,可利用其俘获相对折射率大于1的微粒;而在相关长度大于其临界值或束腰宽度小于其临界值时,可利用其俘获相对折射率小于1的微粒。对俘获稳定性的分析表明,需选择适当的相关长度和束腰宽度才能稳定俘获瑞利粒子。     

非Kolmogorov大气湍流对径向部分相干阵列光束瑞利区间和湍流距离的影响

基于广义的Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov谱模型,推导了无线光通信系统中径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时瑞利区间z_R和湍流距离z_T的解析表达式,对瑞利区间和湍流距离随湍流参量和光束参量的变化情况进行了数值分析.结果表明:不论是相干还是非相干合成,径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的z_R和z_T均随湍流广义指数α的增大非单调变化,当α=3.11时,z_R和z_T取最小值,此时阵列光束扩展最大;相干合成比非相干合成的光束扩展要小,但其受湍流的影响更大;对于相干合成而言,径向分布半径r0越大,合成光束的z_R和z_T就越大,而非相干合成的z_R和z_T不受r0的影响;不论是相干还是非相干合成,阵列子光束数目对合成光束的z_R和z_T没有影响;当光束相干参量β足够小或波长λ足够大时,大气湍流对阵列光束z_R的影响可以忽略.     

增加光子奇偶q相干态的高阶压缩效应

通过数值计算研究了增加光子奇q相干态a_q^+m|α>_q^o和增加光子偶q相干态a_q^+m|α>_q^e的高阶压缩效应.结果表明:当q较小时,态a_q^+m|α>_q^o和a_q^+m|α>_q^e都能呈现出强烈的奇次方阶压缩效应,但无偶次方阶压缩效应,而且奇次方阶压缩随m的增大而增强.当m=0时a_q^+m|α>_q^o和a_q^+m|α>_q^e为光场振幅偶次幂的最小测不准态,但当m≠0时它们不是光场振幅偶次幂的最小测不准态.     

部分空间相干光束在非Kolmogorov湍流大气中的有效曲率半径

激光在湍流大气中的传输有重要的理论研究和实际应用意义.以高斯-谢尔模型(GSM)光束作为部分空间相干光的典型例,基于非Kolmogorov谱和广义惠更斯-菲涅耳原理, 推导出GSM光束在非Kolmogorov湍流中的有效曲率半径的解析表达式. 重点研究了湍流参数(包括广义指数α,内尺度l₀,和外尺度L₀) 和传输距离z分别对GSM光束有效曲率半径的影响.结果表明, 有效曲率半径R_x(z)随α和z增加先减小然后再增大, 随L₀的减小而增大(3.6<α< 4),随l₀的增加而增大.并对结果做了物理解释.     

Optically trapping Rayleigh particles by using focused partially coherent multi-rotating elliptical Gaussian beams

By investigating the cross-spectral density of partially coherent multi-rotating elliptical Gaussian beams(REGBs) that propagate through a focusing optical system, we obtain the radiation force on a Rayleigh particle.The radiation force distribution is studied under different beam indexes, coherence widths, and elliptical ratios of the partially coherent multi REGBs. The transverse and the longitudinal trapping ranges can increase at the focal plane by increasing the beam index or decreasing the coherence width. The range of the trapped particle radii increases as the elliptical ratio increases. Furthermore, we analyze the trapping stability.     

Improvement of optical trapping effect by using the focused high-order Laguerre-Gaussian beams

We investigate the optical trapping effect of high-order Laguerre-Gaussian (LG) beams acting on a dielectric sphere in Rayleigh regime. For LG beams with the azimuthal mode index l=0, it is found that under the same input power, the transverse trapping effect can be enhanced several times with increasing the radial mode index p, compared with that of the Gaussian beam; while its axial trapping effect is exactly the same as that of Gaussian beam, although the central trapping region reduces as p increases. For LG beams with l≥1, we find that the maximal transverse gradient forces increase with the increasing of p and the axial radiation forces reduces slightly, therefore an optimal choose on p and l is necessary for obtaining an optimal optical guiding. Our result is useful for analyzing the trapping efficiency of LG beams applied in micromanipulation technologies.     

非线性晶体产生的空心光束中大尺寸粒子囚禁与导引

提出了一种基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束与光泳力的大尺寸粒子二维囚禁与一维导引、三维囚禁方案.理论上分析并计算了单个非线性ZnSe晶体产生的空心光束内粒子受到的横向与纵向光泳力,纵向光泳力的大小同粒子尺寸与光束尺寸比例的四次方成正比,与空心光束功率成正比,方向与光束传播方向一致.粒子尺寸与空心光束尺寸越接近时,横向光泳力的大小越大.结果表明该光泳力可以实现对大尺寸粒子的二维囚禁,同时可对粒子进行长距离(米量级)一维定向导引;理论上分析并计算了基于双非线性ZnSe晶体产生的局域空心光束内粒子所受横向与纵向光泳力情况,光泳力与系统参数的依赖关系与单个非线性晶体产生的空心光束中的粒子受力情况类似,不同的是该条件下纵向光泳力指向光束中心.结果表明该局域空心光束可以实现大尺寸粒子的三维有效囚禁.基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束或者局域空心光束可以作为大尺寸粒子非接触式有效操控的工具,在现代光学以及生物医学中有潜在的应用.     

高度聚焦的余弦高斯光束对瑞利粒子的辐射力分析

通过数值计算,得出了聚焦后的余弦高斯光束在瑞利粒子上产生的辐射力在整个空间的分布情况.研究发现,利用余弦高斯光束操控粒子是可行的,且利用余弦高斯光束能同时对高折射率粒子和低折射率粒子进行俘获. 关键词： 余弦高斯光束 光陷俘 辐射力     

Multifocal optical trapping using counter-propagating radially-polarized beams

A model of optical tweezers which can trap a chain of Rayleigh particles is proposed by using two counter-propagating equal highly focused radial polarized beams. Calculations show that a multifocal distribution along the optical axis is formed and the scattering force is equal to zero in the total focal filed, consequently a chain of metallic Rayleigh particles can be stably trapped. The trap force and the trap stiffness using two counter-propagating Radially-polarized beams are larger than those using two counter-propagating linearly-polarized beams. The trapping stability is calculated and analyzed in detail. The trapping number of particles in a trapping chain can be controlled by adjusting the aperture angle of the objective and the parameters of the filter used in the proposed trap system.     

Passive combination of multiple beams in an optical fiber via stimulated Brillouin scattering

We demonstrate passive combination of multiple beams in an optical fiber via stimulated Brillouin scattering (SBS). Four off-axis beams are combined in a long multimode optical fiber using a novel all-optical mount. The combined beam has the high spatial coherence properties of the LP(01) mode owing to the beam cleanup properties of SBS. The threshold for SBS when off-axis pumps are used is shown to be a factor of 13 times higher than for on-axis pump beams. We propose this method would improve the brightness of an array of fiber amplifiers.     

贝塞尔光束中瑞利粒子所受横向力的参数理论分析

基于电磁模型,数值计算了瑞利粒子在贝塞尔光束中所受横向光阱力,给出了粒子所受横向力与粒子的半径、折射率和波长的关系。结果表明,与高斯光束形成的光阱相比,贝塞尔光束既能捕获高折射率粒子也能捕获低折射率粒子,并且有多个平衡位置,因此应用更为广泛。     

Propagation dynamics and optical trapping of a radial Airy array beam

Analytical propagation expression of a radial Airy array beam in coherent and incoherent combination passing through paraxial ABCD system is derived, and used to investigate the effect of combination scheme, array orientation and initial phase of Airy beamlet on propagation dynamics of the resulting beam in free space, where optical spot array and vortex array with different shapes are also found, respectively. And then taking four-beamlet Airy array beam in same array orientation as an example, square optical spot array obtained in focal field can be used for simultaneous trapping multiple Rayleigh particles with relative refractive index larger than 1. The transverse gradient forces serving as restore forces tend to push particles at different initial positions to their individual optical spot center. The analysis of trapping stability indicates that larger input peak intensity of Airy beamlet and smaller particle size are benefit to trapping particle owing to many deeper potential wells. Vortex array produced by coherent combined Airy array beam in this paper is expected to be useful for simultaneous trapping microparticles with relative refractive index smaller than 1.     

Multiple trapping using a focused hybrid vector beam

We propose a simple and efficient method that uses a single focused hybrid vector beam to confine metallic Rayleigh particles at multiple positions.We study the force mechanisms of multiple trapping by analyzing the gradient and scattering forces.It is observed that the wavelength and topological charges of the hybrid vector beam regulate the trapping positions and number of optical trap sites.The proposed method can be implemented easily in three-dimensional space, and it facilitates both trapping and organization of particles.Thus, it can provide an effective and controllable means for nanoparticle manipulation.     

聚焦透镜的像散对光阱力的影响

根据里查德-沃耳夫矢量积分公式,研究了径向偏振光通过具有像散的大数值孔径物镜后在焦点附近的光阱力。着重研究像散对轴向和横向光阱力的影响。研究结果表明,像散的存在导致了光阱力的势垒减弱,光阱中心的偏移,甚至是改变了有效捕捉区域,这将严重影响了光镊的轴向和横向对粒子的捕捉。通过对改变数值孔径的大小和孔径与光腰的比值,以及对不同大小的粒子捕捉效果的对比,可以改变像散对粒子捕捉影响的程度,从而改善像散对光阱力的影响,这对于光镊等精密仪器的操作是十分必要的。