Propagation and Beam Quality of Flattened Hermite-Gauss Beams

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平顶高斯光束的传输特性

将平顶高斯光束作为一个整体光束处理 ,研究了它通过近轴 ABCD光学系统的传输特性。对无光阑情况 ,推导出较为普遍的解析式 ;而对有光阑限制情况 ,数值积分是可行的。给出的典型数值计算结果证实了这种方法与有限拉盖尔 -高斯函数展开法是等价的。     

Beam Propagation Factor and Generation of Cosh-squared-Gaussian Beams

A new light beam termed as a cosh-squared-Gaussian beam (ChSGB) which may be one of solutions of the paraxial wave equation for propagation in complex optical systems has been introduced. Their beam propagation factor (M2-factor) is derived and schemes to generate this light beams are proposed.     

Beam Propagation Factor and Generation of Cosh-squared-Gaussian Beams

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｒｅｃｅｎｔｌｙ ,Ｃａｓｐｅｒｓｏｎ ｅｔａｌ.[1,2 ]ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｓｏ ｃａｌｌｅｄＨｅｒｍｉｔｅ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ Ｇａｕｓｓｉａｎｂｅａｍｓ (ＨＳＧＢｓ)ａｎｄ ｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｙａｒｅｓｔｉｌｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｗａｖｅｅｑｕａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅ ｐａｒａｘｉａｌａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｒｃｏｍｐｌｅｘｒａｄｉｕｓｏｆｃｕｒｖａｔｕｒｅａｎｄｍｅａｎｒａｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｂｅｙｔｈｅｗｅｌｌ ｋｎｏｗｎＡ…     

The Beam Propagation Factor of Nonparaxial Truncated Flattened Gaussian Beams

By using the second-order moment of the power density, the beam width, far-field divergence angle and M² factor of nonparaxial truncated flattened Gaussian (FG) beams are derived analytically. It is shown that the M² factor of nonparaxial truncated FG beams depends not only on the truncation parameter δ and beam order N, but also on the initial waist-width to wavelength ratio w₀/λ. The far-field divergence angle approaches an asymptotic value of θ_max=63.435° when the truncation parameter δ → 0. For the special cases of N = 0 and δ → ∞ our results reduce to those of nonparaxial truncated Gaussian beams and nonparaxial untruncated FG beams, respectively.     

环状平顶光束的传输特性研究

利用偏心高斯光束相干叠加方法，建立了柱坐标系下环状平顶光束模型.采用广义强度二阶矩定义，推导出环状光束广义M2因子的解析表达式.利用广义衍射积分理论，给出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式，并进一步给出了环状平顶光束修正的菲涅耳数定义.分析了环状平顶光束在自由空间的传输规律.研究结果表明，该模型可统一描述基模高斯光束、环状高斯光束以及环状平顶光束.环状平顶光束的广义M2因子和环状平顶光束的传输特性与其阶数及遮拦比有关.     

LD光束在自聚焦透镜中的传输特性

基于分析激光二极管光束传输特性，运用厄米-高斯光束描述其远场分布．将自聚焦透镜用于激光二极管的光束整形，用2阶传输矩阵描述自聚焦透镜．运用Collins衍射积分公式，分析了LD光束在自聚焦透镜中传输场分布的解析表达式．在此基础上，数值计算了一种LD光束在自聚焦透镜中场分布．该模型结构简单，可用于分析光束传输特性和设计光束整形系统．     

一类新平顶光束的束传播因子

 基于迭加原理，引入了利用双曲余弦-高斯光束的相干迭加而得的新光束，结果表明这类迭加光场的场强分布在适当参数条件下可具有平顶结构，并且分析了这类迭加所得的平顶光束的束传播因子与束参数的关系。     

平顶光束通过像散透镜的传输和光束参量的变化

对平顶光束通过像散透镜的传输和光束参量(包括束宽、束腰宽度和位置、远场发散角和M2因子)的变化做了研究.结果表明,像散使平顶光束在x方向的束腰宽度增加,远场发散角减小,实际焦点的位置远离透镜,而在y方向正相反.平顶光束的M2因子与像散无关.x、y方向束宽和远场发散角的相对误差随光束阶数,瑞利长度,像散系数和透镜焦距变化.当x、y方向的光束阶数和初始束宽相等时,几何焦面上两方向束宽的相对误差相等,但在实际焦面上不同.     

一类新平顶光束的束传播因子

基于迭加原理,引入了利用双曲余弦-高斯光束的相干迭加而得的新光束,结果表明这类迭加光场的场强分布在适当参数条件下可具有平顶结构,并且分析了这类迭加所得的平顶光束的束传播因子与束参数的关系。     

相位翻转厄米-高斯光束的传输特性

将相位翻转高斯光束的概念推广到相位翻转高阶模光束.以相位翻转厄米-高斯光束为例,推导出相位翻转高斯光束通过近轴理想(无光阑)ABCD光学系统,以及带刀口和光阑的ABCD光学系统传输的递推方程,并用以研究相位翻转高斯光束的传输特性.特别是,得出对TEM1、TEM2和TEM3模相位翻转高斯光束,光阑效应可以忽略的条件分别是截断参量δ≥2.1,2.5和 3.0.     

强非局域非线性介质中复宗量厄米一高斯光束的传输

利用Snyder-Mitchell模型讨论了笛卡儿坐标系下(1+1)维和(1+2)维光束的传输过程,得到了强非局域非线性介质中传输光束的复宗量厄米-高斯型解.该解为抛物线柱函数对高斯光束的调制.给出了复宗量厄米-高斯光束共线传输情况.在一定条件下共线传输的复宗量厄米-高斯型光束演化为涡旋光束.给出了单束复宗量和涡旋复宗...     

高阶贝塞尔脉冲光束通过色散光阑透镜的传输特性

研究了高阶贝塞尔脉冲光束通过色散光阑透镜的光谱和时间空间特性.结果表明:脉冲光束在几何焦面上会出现光谱开关,透镜色散使产生光谱开关的临界位置向z轴移动;透镜一阶色散使几何焦面上峰值光强减小,并使脉冲波形产生显著时间移动和展宽,而二阶和高阶色散的影响较小.此外,光束阶数n和空间参量α也会影响横向光强分布.     

高阶贝塞尔脉冲光束通过色散光阑透镜的传输特性*

研究了高阶贝塞尔脉冲光束通过色散光阑透镜的光谱和时间空间特性.结果表明:脉冲光束在几何焦面上会出现光谱开关,透镜色散使产生光谱开关的临界位置向z轴移动|透镜一阶色散使几何焦面上峰值光强减小,并使脉冲波形产生显著时间移动和展宽,而二阶和高阶色散的影响较小.此外,光束阶数n和空间参量α也会影响横向光强分布.     

厄米-高斯光束在内含硬边光阑光学系统中的传输

把硬边光阑从复杂光学系统中“移”出来,即把任意一个含有硬边光阑的复杂光学系统体现到含有入射光瞳和出射光瞳的光学系统中，使硬边光阑的作用转化为出射光瞳的作用，以便求出观察面上的解析解。对入射面上的二维厄米 高斯光束，利用柯林斯公式和入射光瞳与出射光瞳的物像关系，可得到所要求观察面的场分布和解析结果，通过数值模拟验证了其正确性。通过分析计算得到如下结论：对于任意一个含有硬边光阑的复杂光学系统，都可以把光阑的作用从系统中“移”出来，把其看作是出射光瞳的作用，从而可以较为简便地求出观察面上的场分布。     

平顶高斯光束的模相关系数和模分解理论

利用部分相干光理论,推导出柱坐标系下平顶高斯光束模相关系数的解析表达式,基于推导出的Ｍ＾２因子的推广公式,建立了平顶高斯光束的模分解理论。     

Propagation of a flattened Gaussian beam through multi-apertured optical ABCD systems

By expanding the hard-aperture function into a finite sum of complex Gaussian functions, the recurrence propagation formula of a flattened Gaussian beam through multi-apertured optical ABCD systems is derived, and the propagation of a Gaussian beam is regarded as a special case in our theoretical model. The extension to the three-dimensional case is described. Numerical examples of the beam propagation through a multiple aperture-lens system and an aperture-spatial filter are given and compared with those by the straightforward numerical integration of the Collins formula. It is shown that our analytical results give a good trade-off between the computational time and accuracy, and provide a useful tool for simulating the beam propagation through complicated optical systems including multiple apertures and spatial filters. Finally, a comparison with the previous work is made and the main results obtained in this paper are summarized.     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔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,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

厄米-高斯光束在非Kolmogorov大气湍流中的传输性质

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和非Kolmogorov(非K)谱,推导出了厄米-高斯光束在非K大气湍流中传输的束宽、角扩展以及M²因子的解析表达式.数值计算表明,在传输距离比较远(如z≥3 km)时,厄米-高斯光束的束宽、角扩展和M²因子随广义指数参量α的增大而增加直到α=3.11时达到最大值后再随α的增大而减小;随湍流的内尺度l₀的减小而增大;随外尺度l₀的增加而增大(3.6<α<4).但是当广义指数参量α在3<α<3.6区间取值时,束宽和M²因子几乎不随外尺度的增加而变化.