球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中的散射特性研究

研究了球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中的散射特性. 根据广义Mie理论, 推导出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射系数的解析公式. 针对光束的电场分布及粒子散射强度进行了数值仿真, 讨论了散射强度随散射角、散射球粒子半径和拓扑荷的变化特性, 并通过散射系数解释了散射强度分布的振荡现象. 结果表明, 在聚焦拉盖尔-高斯光束照射下, 球形粒子的后向散射强度随着粒子半径的增大而逐渐增大; 后向散射强度开始增大时对应的粒子半径与拓扑荷有关. 通过与高斯光束的对比, 可以看出球形粒子在聚焦拉盖尔-高斯光束中散射特性的差异, 使其在粒径测量、光通信和大气后向散射探测等方面具有潜在应用价值.     

线偏振拉盖尔-高斯光束的远场发散特性

利用稳相法和矢量结构理论, 导出了线偏振拉盖尔-高斯光束的矢量结构项TE项和TM项在远场的解析表达式. 进而利用TE项和TM项的远场能流分布, 给出了TE项和TM项的功率占总功率比例的度量式,同时还给出了线偏振拉盖尔-高斯光束、TE项和TM项三者远场发散角的解析式以及三者远场发散角间的关系式. 所得到的公式不仅适用于傍轴情形,而且还适用于非傍轴情形. 通过数值计算, 分析了TE项和TM项在远场的功率占总功率的比例与参数f和模数间的依赖关系;还分析了拉盖尔-高斯光束、TE项和TM项的远场发散角随参数f、模数和线偏振角的变化关系.这一研究从矢量结构本性揭示了线偏振拉盖尔-高斯光束的远场发散特性, 丰富了对其传输特性的认识.     

拉盖尔-高斯光束的近场矢量结构特征

直接以麦克斯韦方程组的解表征拉盖尔-高斯光束。基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述和电磁光束的矢量结构理论,利用一些数学技巧导出了拉盖尔-高斯光束的TE项和TM项在近场的解析表达式。利用所导出的公式,在近场描绘了拉盖尔-高斯光束的TE项、TM项及整个光束的光强分布。并对角度依赖分别为余弦和正弦关系的拉盖尔-高斯光束的矢量结构进行了比较,结果显示两者整个光束的光斑完全相似,唯一的区别是子瓣的空间方位不同且两者的内部矢量结构完全不相同。     

拉盖尔-高斯光束的近场矢量结构特征

直接以麦克斯韦方程组的解表征拉盖尔-高斯光束。基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述和电磁光束的矢量结构理论,利用一些数学技巧导出了拉盖尔-高斯光束的TE项和TM项在近场的解析表达式。利用所导出的公式,在近场描绘了拉盖尔-高斯光束的TE项、TM项及整个光束的光强分布。并对角度依赖分别为余弦和正弦关系的拉盖尔-高斯光束的矢量结构进行了比较,结果显示两者整个光束的光斑完全相似,唯一的区别是子瓣的空间方位不同且两者的内部矢量结构完全不相同。     

拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的螺旋谱特性

研究了拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的传输特性.在利托夫近似下,得到接收孔径处光束的螺旋谱的积分表达式.通过数值仿真得出大气湍流对光束螺旋谱的影响以及光束螺旋谱随各参数值的变化特性.仿真发现大气湍流会使螺旋谱发生弥散.而且随着拓扑荷,接收孔径半径,折射率结构函数及距离的增加,螺旋谱弥散加剧.经拟合得到描述螺旋谱弥散程度的无量纲方差V随距离成6次函数关系;与接收孔径半径及折射率结构函数成二项式关系;而与拓扑荷呈11次多项式关系.最后得出径向指数,束腰半径对螺旋谱的影响非常小,并且根据此结论推出光 关键词： 拉盖尔-高斯光束 大气湍流 螺旋谱 无量纲方差     

拉盖尔-高斯幂指数相位涡旋光束传输特性

为实现光折射率传感器小结构、高灵敏度的要求,根据表面等离极化激元的透射特性,提出了一种单挡板金属-介质-金属（MIM）波导耦合类云朵腔结构。此结构引用“腔中腔”的理念,在近场耦合作用下,类云朵腔所形成的较宽的连续态与金属挡板所形成的较窄的离散态经过干涉相长相消,可以产生三重不同模式的法诺共振。结合耦合模理论,对三重法诺共振的产生机理进行分析,并运用有限元分析法对此结构进行模拟仿真,定量分析了不同结构参数对折射率传感特性以及优质因子的影响。结果表明,三种共振模式的灵敏度分别为600,800,1083 nm/RIU,优质因子分别为5.08×10⁴、3.56×10⁵和1.17×10³。     

涡旋光束在双拉盖尔-高斯旋转腔中的非互易传输

通过构造两个线性耦合的拉盖尔-高斯旋转腔系统,实现携带轨道角动量的涡旋光束的非互易传输现象.系统中,两个拉盖尔-高斯旋转腔模通过扭力与中间的旋转镜耦合,同时两个涡旋腔场通过光纤直接耦合起来.两个强光场分别驱动不同的腔模,并利用一个弱探测场从系统一侧入射,从而对该系统两个传播方向的光响应特性进行研究.利用该系统哈密顿量和海森伯-郎之万方程,结合输入-输出关系可得到系统的输出光谱.结果表明此系统中的涡旋光束的非互易性来源于光旋转相互作用以及涡旋腔场相互作用之间的量子干涉效应.因此,可以通过调节非互易相位差来对系统的非互易传输进行调制.此外,两个涡旋光束所携带的拓扑荷比值会显著影响传输特性;在适当的拓扑荷比值下,该系统可以实现涡旋光束的单向传输.本研究成果有望用于实现理想的涡旋光隔离器.     

均匀椭球粒子对拉盖尔-高斯光束的散射特性研究

基于广义Mie理论, 研究了椭球粒子对在轴入射的拉盖尔-高斯光束的散射特性. 通过局域近似法求解椭球坐标系中的波束因子, 计算得到了波束因子之间满足的普遍关系. 对散射强度随椭球粒子不同尺寸参数和扁圆程度的变化特性进行了数值计算, 并针对不同拓扑荷时的散射强度进行了对比分析. 结果表明: 当椭球粒子尺寸在与入射光波长可比拟的范围内变化时, 散射强度随尺寸参数的增大而增大, 随椭球长短轴之比和拓扑荷的增大而减小. 本文的理论研究能够为拉盖尔-高斯光束在粒径测量、大气激光通信、 大气遥感等领域的应用提供更准确的粒子模型和参考价值. 关键词： 椭球粒子 拉盖尔-高斯光束 波束因子 散射强度     

拉盖尔-高斯光束傍轴度的变化

以拉盖尔-高斯(L-G)光束为例,详细研究了单色光束傍轴度的变化.结果表明,模指数、相对束腰宽度等光束参数的变化,通过近轴ABCD光学系统的传输,以及光阑衍射都会引起光束傍轴度的变化.但是,在自由空间中传输时,光束的傍轴度不变.对上述结果以数值计算例加以说明,并用光束傍轴度与远场发散角间的联系做了物理解释. 关键词： 傍轴度 远场发散角 拉盖尔-高斯光束     

拉盖尔-高斯光束通过光阑-透镜分离系统的聚焦特性和焦移

使用Collins公式推导了拉盖尔-高斯光束通过光阑-透镜分离系统的光强分布。利用数值计算详细分析和说明了其聚焦特性。分析得出光阑-透镜分离程度的大小影响相对焦移的大小和光强的分布,并引起焦移可能相反或消失。而且发现满足一定条件时在一段较大的轴向距离上光强几乎等于光强极大值,从而可获得一个较大的光强极大范围。     

Experimental observation of spin-independent transverse shift of the centre of gravity of a reflected Laguerre-Gaussian light beam

We report experimental observation of a transverse shift of the centre of gravity of partially reflected optical beam having non-zero orbital angular momentum. The results are in reasonable agreement with the theoretical predictions. Possibility of using such shift for measurement of orbital angular momentum state of photon is discussed.     

Fresnel entropic characterization of optical Laguerre-Gaussian beams

A novel approach, based on Fresnel tomography, to determine the entropy of two-dimensional optical Laguerre-Gaussian beams is presented and discussed. Numerical evaluations of the entropy distribution in the phase space associated with Laguerre-Gauss modes are presented. It is shown that the concept of Fresnel entropy provides a general criterion for studying and characterizing the vorticity of Laguerre-Gauss modes.     

Propagation properties of partially coherent Laguerre-Gaussian beams in turbulent atmosphere

To study the propagation properties of partially coherent Laguerre-Gaussian (PLG) beams through turbulent atmosphere, the analytical formulas are derived for the angular width and the beam-propagation factor (M²-factor) of PLG beams by using the extended Huygens-Fresnel principle and the second-order moments of the Wigner distribution function (WDF). The corresponding numerical results are also calculated. When propagation distance increases, the angular width is found to spread faster for PLG beams with higher beam order, smaller correlation length and bigger structure constant The angular width of PLG beams decreases with increase in waist width (w₀).The M²-factor of PLG beams with higher beam order and smaller correlation length is less affected by turbulence with increase in propagation distance. The propagation properties of the M²-factor for PLG beams with the smaller structure constant are better than that with bigger structure constant . The M²-factor of PLG beams decreases with increase in the wavelength λ, and it is also less affected by turbulence for beams with higher order and smaller correlation length. Furthermore, for the PLG beams with the same beam order, the angular width and the M²-factor keep invariable in free space.     

Tightly focusing of linearly polarized vortex beams through a dielectric interface

Based on vectorial Debye theory, the tightly focusing properties of linearly polarized vortex beams through a dielectric interface are studied. Then the intensity distribution in the focal region is investigated in detail by numerical calculations. The focal shifts induced by the mismatch of the refractive indices across the interface has been found. And the dependence of focal shifts and spot size of the focused field on the probe depth and numerical aperture of the objective are presented. Furthermore, the characteristic of intensity pattern of the cross section of the focused field is illustrated, finding that the intensity pattern rotates with the propagation of beams.     

Propagation characteristics of elegant Laguerre-Gaussian beams in the fractional Hankel transform plane

The fractional Hankel transform (FRHT) system is applied to study the transformation properties of elegant Laguerre-Gaussian beams (ELGBs). An analytical formula is derived for the FRHT of ELGBs based on the definition of the FRHB. By using the derived formula and the definition of the kurtosis parameter, the analytical propagation expression for the kurtosis parameter of ELGBs in the FRHT plane is derived. Some detailed numerical examples are given to illustrate the analytical results. The results show that the intensity distribution and the kurtosis parameter of elegant Laguerre-Gaussian beams in the fractional Hankel transform plane not only depend on order p and index m of Laguerre polynomial, but also evolve periodically with fractional order p of fractional system.     

拉盖尔-高斯光束通过光阑-透镜分离系统的聚焦特性和焦移

 使用Collins公式推导了拉盖尔-高斯光束通过光阑-透镜分离系统的光强分布。利用数值计算详细分析和说明了其聚焦特性。分析得出光阑-透镜分离程度的大小影响相对焦移的大小和光强的分布，并引起焦移可能相反或消失。而且发现满足一定条件时在一段较大的轴向距离上光强几乎等于光强极大值，从而可获得一个较大的光强极大范围。     

Approximate analytical expressions of Laguerre-Gaussian beams passing through a paraxial optical system with an annular aperture

On the basis of the expansion of the hard aperture function into a finite sum of complex Gaussian functions, the approximate analytical expression of Laguerre-Gaussian beams passing through an annular apertured paraxial ABCD optical system is derived. Meanwhile, the corresponding closed-forms for the unapertured or circular apertured or circular black screen cases have also been given. Numerical examples are given to illustrate the propagation characteristics of Laguerre-Gaussian beams.     

离轴拉盖尔-高斯涡旋光束传输中的光斑演变

在产生涡旋光束过程中, 固体激光器所输出的光束中心 很难与螺旋相位板的中心完全对准, 实际出射的光束为离轴涡旋光束. 在衍射理论的基础上, 对离轴涡旋光束的传输进行了研究, 推导了离轴涡旋光束传输一段距离后电场和光强的解析表达式.研究表明, 与理想的涡旋光束不同, 离轴涡旋光束具有非对称性的光强分布, 在传输过程中光斑除了展宽外, 涡旋暗核还会发生移动. 拓扑电荷数的大小只影响到光束的展宽, 拓扑电荷数为正时, 暗核沿着逆时针切线方向移动; 拓扑电荷数为负时, 暗核沿着顺时针的切线方向移动, 该结果对长距离探测涡旋光束的对准问题起到指导作用.