径向洛伦兹阵列光束在自由空间的传输特性

推导出有初始相位分布的径向洛伦兹阵列光束在自由空间传输的解析公式,用以研究相干合成光束在自由空间的传输特性。结果表明:在远场,具有不同相位分布的光束光强剖面成为空心形状,具有相同相位分布的光束光强剖面中心为亮斑。合成光束束宽和桶中功率与子光束束腰宽度、径向阵列的初始相位分布和半径有关。对所得结果用数值计算例做了说明。当阵列半径较大和束腰宽度较小时,具有不同相位分布和相同相位的光束束宽随传输距离的变化曲线和桶中功率都趋于一致。     

非傍轴径向阵列高斯激光束的传输特性

推导出相干和非相干非傍轴径向阵列高斯激光束的传输公式,并用以研究了径向阵列光束在自由空间的传输特性,重点分析了阵列光束参量对合成光束光强分布的影响。结果表明：阵列半径与束腰宽度之比是一个关键参量,当它固定时,相干和非相干合成光束的光强分布都保持不变,但合成光束的光强分布和远场轴上光强最大值都与合成方式有关。     

非傍轴径向阵列高斯激光束的传输特性

推导出相干和非相干非傍轴径向阵列高斯激光束的传输公式,并用以研究了径向阵列光束在自由空间的传输特性,重点分析了阵列光束参量对合成光束光强分布的影响。结果表明:阵列半径与束腰宽度之比是一个关键参量,当它固定时,相干和非相干合成光束的光强分布都保持不变,但合成光束的光强分布和远场轴上光强最大值都与合成方式有关。     

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。     

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。     

截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的远场特性

基于瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出截断非傍轴双曲余弦-高斯光束在自由空间传输的解析表示式,分析了一些特例,并引入非傍轴范畴的桶中功率概念,用以描述非傍轴光束的远场光束质量。结果表明:截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的光强和桶中功率不仅与束腰宽度与波长之比、偏心参数及截断参数有关,而且桶中功率还与桶的尺寸有关。在一定的范围内,较大的束腰宽度与波长之比, 截断参数和较小的偏心参数使光束有更好的聚焦特性,表现出更好的光束质量。     

截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的远场特性

基于瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出截断非傍轴双曲余弦-高斯光束在自由空间传输的解析表示式,分析了一些特例,并引入非傍轴范畴的桶中功率概念,用以描述非傍轴光束的远场光束质量。结果表明:截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的光强和桶中功率不仅与束腰宽度与波长之比、偏心参数及截断参数有关,而且桶中功率还与桶的尺寸有关。在一定的范围内,较大的束腰宽度与波长之比, 截断参数和较小的偏心参数使光束有更好的聚焦特性,表现出更好的光束质量。     

相位屏法模拟高斯阵列光束海洋湍流传输特性

基于功率谱反演法产生海洋湍流相位屏,对多次传输过程进行统计平均,仿真分析不同海洋湍流参量下不同高斯阵列光束(矩形分布、径向分布及单束)长曝光光斑半径、光斑质心漂移特性及光强闪烁特性。结果表明:光束长曝光光斑半径、光斑质心漂移标准差及轴上闪烁系数均随湍流效应(湍流强度或传输距离)的增强而增大;同时,阵列光束与单束高斯光的光斑半径趋于一致,当传输距离继续增大时,单束高斯光束长曝光光斑半径略大。相对于单束高斯光,阵列光束在相同湍流条件下具有更小的漂移标准差,但轴上闪烁系数较大。相对于大气湍流而言,海洋湍流具有较强的闪烁效应。     

贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了贝塞尔高斯涡旋光束在湍流大气中传输时系统平均光强的解析表达式,研究了贝塞尔高斯空心涡旋光束在湍流大气中的光强传输特性,同时分析了大气湍流的强弱、涡旋光束的拓扑荷等对光束质量的影响.结果表明:贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时,光强分布经历几个连续的变化,相位奇异性也会在传输过程中消失,该过程与涡旋光束拓扑荷的数目、光束的束腰宽度以及大气湍流的强弱等因素密切相关.拓扑荷数目高的涡旋光束在湍流大气中传输时,其奇异性的保持较拓扑荷数目低的涡旋光束要好.另外,基于桶中功率理论,分析研究了涡旋光束的拓扑荷数目、大气湍流强弱和束腰宽度对贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时的光束质量的影响.     

四瓣高斯光束的Gyrator变换性质和矩形空心光束的产生

基于Gyrator变换,推导了四瓣高斯光束场分布的解析表达式,研究了四瓣高斯光束通过Gyrator变换后的光强分布和相位分布.结果表明:在Gyrator变换过程中,四瓣高斯光束能够转换为具有光涡旋的矩形空心光束,在获得矩形空心光束时其四顶角处光束强度最强,而四条边上的光束强度分布几乎是均匀的.对影响矩形空心光束强度和相位分布的光束参数和变换角进行了详细的分析,发现光束阶数不同,产生不同类型的空心光束;Gyrator变换的变换角则影响空心光束能量分布;空心光束亮环的大小由四瓣高斯光束的束腰宽度决定,束腰宽度越大,矩形空心光束的宽度越小.     

洛伦兹光束经光阑失调傍轴光学系统的传输

基于广义衍射积分公式和光阑函数的复高斯展开,导出了一洛伦兹光束经一个带圆形光阑失调傍轴光学系统的近似解析传输公式.作为一般公式的特例,还给出了洛伦兹光束经一无光阑失调傍轴光学系统的解析传输式.作为数值计算的例子,运用所得到的公式分析了洛伦兹光束经带光阑失调薄透镜的传输特性.结果表明：不同强度的衍射即圆形光阑半径的大小明显影响衍射光束的归一化强度分布及其传输变化规律. 关键词： 洛伦兹光束 失调傍轴光学系统 光束传输     

Beam combination of a radial laser array: Flat-topped beam

An analytical expression of a radial laser array for flat-topped beam is derived based on the generalized Collins formula. The intensity distribution of the resulting beam focused by a lens at the focus plane, for phase-locked and nonphase-locked cases, is studied numerically. The effect of the Fresnel number and normalized radius on intensity distribution for phase-locked and nonphase-locked cases is also presented. It is found that intensity distribution for nonphase-locked case is much less sensible to the Fresnel number and normalized radius than that of phase-locked case.     

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.     

谱合成光束特性的模拟分析

建立了光束谱合成的传输模型.应用光线追迹方法，将闪耀光栅引起的相位变化用槽间光程差和槽内光程差来表示，建立了光束倾斜入射到光栅时相位变化的计算模型.利用衍射积分方法，给出了阵列光源各子光束经谱合成系统后输出光场的解析表达式.依据光束非相干叠加的原理，计算得到合成光束的光强分布.在此基础上，利用强度二阶矩方法，分别计算了阵列光束和合成光束的M²因子，并定量分析了谱合成系统参数对合成光束特性的影响.研究结果表明：通过谱合成系统合成光束的M²关键词： 光束谱合成 阵列光源 闪耀光栅 光束质量     

附加球面相位引致Airy光束在单轴晶体传输时的两次镜像演化

利用单轴晶体光束传输理论,求得了具有附加球面相位Airy光束在单轴晶体中的传输公式.数值模拟计算结果表明,线偏振附加球面相位Airy光束在晶体中传输时仍为线偏振,但不是传输不变的.粗略地讲,具有附加球面相位的Airy光束在晶体中传输时,近场是传输不变的;而在由晶体寻常与非寻常折射率和球面半径共同确定的两个特定传输距离处,传输光束转换成了取向不同的Gaussian-Airy光束,且高斯依赖的束宽度敏感地与截断因子相关;而当光束依次穿过此两位置时光斑花样先后相对于两横向轴平面做镜像演化,且镜像演化顺序也与晶体寻常和非寻常折射率相对大小密切相关,其总的效果是远场强度花样能恢复原样但花样取向产生了关于对过横平面二、四象限平分平面的镜像演化.这些结果表明,通过恰当选择晶体材料(即折射率)和附加球面相位的半径R,可以调控光束花样的形状、取向及表征各向异性材料的相关性质.     

具有轨道角动量光束入射下的单球粒子散射研究

根据广义Mie理论,研究了具有轨道角动量拉盖尔-高斯光束（LGB）的空间传输特性以及单粒子散射特性.在单体球粒子对高斯光束散射研究的基础上,分析了在自由空间不同传输距离LGB光束的光强分布情况,在不考虑散射和波束相移关系的情况下,将LGB作为入射高斯光束,通过对波束入射时的散射衰减截面求解得到波束因子,利用矢量球谐函数对入射高斯波束进行展开,从而研究了单球粒子在在轴条件下对具轨道角动量高斯波束入射的散射问题.通过数值计算,讨论了散射强度及角分布在不同波束宽度情况下对其散射特性的影响,并与平面波的情况做了对比.结果表明,当波束束腰半径较小时,束腰半径对衰减率的影响较大,而当束腰半径远大于粒子半径时,接近于平面波的情况. 关键词： 广义Mie理论 轨道角动量 Laguerre-Gauss光束 单球粒子