非傍轴矢量余弦-高斯光束两种光强表示的比较研究

从矢量瑞利-索末菲衍射积分公式出发,以非傍轴矢量余弦－高斯(CoG)光束为例,对非傍轴矢量光束的两种光强表示式,即传统光强公式和时间平均坡印廷矢量的z分量进行了比较研究.对非傍轴矢量CoG光束轴上和横向光强分布详细的数值计算和比较结果表明,两种光强表示式之间的相对误差η与w0/λ、z/λ和偏心参量b有关,其中w0,λ和z分别为束腰宽度,波长和传输距离.当偏心参量b较小,且束腰宽度与波长相比不很小时,例如,b≤0.8,w0/λ≥0.8,z/λ=10时,二者间的最大相对误差ηmax＜2%,传统光强公式可以使用.     

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。     

非傍轴矢量高斯光束的圆屏衍射

利用矢量瑞利衍射积分公式，推导出非傍轴矢量高斯光束圆屏衍射的解析表示式.非傍轴矢量高斯光束圆屏衍射的轴上场分布、远场表示式、自由空间中的传输公式，以及傍轴近似下高斯光束圆屏衍射的菲涅耳和夫琅禾费衍射公式可以作为一般公式的特例统一处理.数 值计算和比较实例说明了非傍轴矢量高斯光束的光强分布和远场特性.分析表明，在圆屏衍 射中，f参数和截断参数决定光束的非傍轴行为. 关键词： 传输光学 非傍轴矢量高斯光束 圆屏衍射 矢量瑞利衍射积分公式     

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。     

非傍轴矢量高斯光束的传输

运用非傍轴光束传输的矢量矩理论，对非傍轴矢量高斯光束的传输特性进行了系统的研究.结果表明，基于二阶矩定义的横向光束宽度在光束传播过程中满足简单的双曲线变化规律，并且给出了光束传输因子的解析表达式.就高度非傍轴情形，进一步给出了简洁的计算公式，在高斯光源线度趋向零的极限情形下，横向的最大发散角为90°.同时，还推广到了傍轴情形，得到了与原有傍轴公式稍有区别的结果，而且光束传输因子始终保持略大于1最后，对非傍轴矢量高斯光束和非傍轴标量高斯光束的传输进行了比较，结果显示对于线度在两个波长范围之内的高斯光源发散 关键词： 矢量高斯光束 光束传输 非傍轴 二阶矩     

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。     

非傍轴洛伦兹光束的传输特性研究

基于光强二阶矩理论,推导出非傍轴洛伦兹光束的远场发散角、近场发散角、束腰宽度以及光束传输因子的解析表达式,并通过数值模拟,得到它们与对应束腰宽度以及波长的关系。结果表明:与非傍轴高斯光束相比,在满足二极管激光器物理机制的条件下,非傍轴洛伦兹光束更符合二极管激光束的实际情况,因此,非傍轴洛伦兹光束更适用于描述二极管激光器等光源尺寸小且发散程度较大的激光光源。     

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。     

任意线偏振高斯光束的非傍轴传输

运用非傍轴光束传输的矢量矩理论，对任意线偏振高斯光束的非傍轴传输进行了系统的研究，给出了定量计算偏振对束腰、横向远场发散角和光束传输因子贡献的解析通式. 并对高度非傍轴和傍轴两种极端情形，简化了相应的计算式. 在高斯光源线度趋向于零的极限情形下，两个横向的最大发散角均为90°，与偏振态无关. 在高度非傍轴情形下，可以通过所给出的解析通式设计高斯光源的半宽度与激射光波长之比值以及线偏振态来达到所期望的光束传输特性. 对于傍轴情形，不同偏振对束腰和横向远场发散角稍有影响，但这种影响一般可以忽略不计；而光束传输因子却始终保持不变，与偏振态无关. 若介于这两种极端情形之间，则可以根据高斯光源的半宽度之值和所期望的计算精度，确定解析式中级数的项数进而确定任意线偏振高斯光束的非傍轴传输特性. 关键词： 高斯光束 非傍轴传输 偏振 二阶矩     

矢量非傍轴厄米-拉盖尔-高斯光束的光束质量

基于矢量Rayleigh-Sommerfeld衍射积分，推导出矢量非傍轴圆偏振厄米-拉盖尔-高斯(HLG)光束的远场解析表达式.矢量非傍轴圆偏振高斯光束可作为一般公式的特例给出.将桶中功率(PIB)概念推广到非傍轴范畴，用以描述矢量非傍轴光束的远场光束质量，其中光强用时间平均坡印廷矢量的z分量取代.数值计算和分析表明，矢量非傍轴HLG光束的PIB不仅与束腰宽度与波长之比w₀/λ有关，而且还与α参数，模指数n和m以及所取桶的尺寸有关. 关键词： 矢量非傍轴厄米-拉盖尔-高斯光束 矢量Rayleigh-Sommerfeld衍射积分 桶中功率     

非傍轴矢量光束二阶矩的发散特性

基于非傍轴矢量光束横截面上光强的精确表示和矢量二阶矩理论,应用严格的角谱表示的矢量衍射理论,对任意非傍轴矢量衍射光束的传输进行了系统的研究.给出了光束的束宽、横向发散角的积分表达式,论证了非傍轴矢量光束二阶矩的发散特性.对非傍轴矢量光束的束宽、发散角的定义及一些相关的问题进行了分析和讨论. 关键词： 矢量衍射理论 光束传输 矢量二阶矩 发散特性     

矢量非傍轴离轴高斯光束的传输

基于矢量瑞利-索末菲衍射积分公式，得出了波动方程的一个解，它代表矢量非傍轴离轴高斯光束，其在自由空间的传输方程表示为解析的结果.矢量非傍轴离轴高斯光束的轴上和远场公式，矢量非傍轴高斯光束的传输方程，以及傍轴的结果都可作为一般表达式的特例而得出.研究表明，f参数对光束的非傍轴特性有重要影响，而离心参数也影响非傍轴行为.与共轴情况不同的是，对离轴情况，在y方向存在场的纵向分量. 关键词： 激光光学 矢量非傍轴离轴高斯光束 瑞利-索末菲衍射积分 f参数 离轴参数     

Vectorial partially coherent flat-topped beams and their nonparaxial propagation

The concept of vectorial partially coherent flat-topped beams is proposed, and their nonparaxial propagation in free space is studied in detail. Based on the vector Rayleigh diffraction integral formulae, the analytical propagation expressions for the cross-spectral density matrix of the polarized vectorial nonparaxial partially coherent flat-topped beams are derived and applied to study the nonparaxial propagation properties of vectorial partially coherent flat-topped beams. The effect of propagation parameters on the intensity and the coherence property of the nonparaxial vectorial partially coherent flat-topped beam is illustrated and analyzed comparatively with the corresponding paraxial results.     

矢量非傍轴双曲余弦-高斯光束

 引入了矢量非傍轴双曲余弦-高斯(ChG)光束概念。使用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式推导出了矢量非傍轴ChG光束在自由空间传输的解析公式。矢量非傍轴ChG光束轴上和远场的解析式以及傍轴结果作为一般传输公式的特例给出。研究表明,对矢量非傍轴ChG光束,其非傍轴性主要由f参数决定,但偏心参数会影响其横向光强剖面形状和非傍轴行为。     

Propagation of vectorial nonparaxial Gaussian beams through an annular aperture

Starting from the vectorial Rayleigh diffraction integrals, the nonparaxial propagation of vectorial Gaussian beams through an annular aperture is studied. The analytical propagation expressions are derived, which permit us to treat the on-axis field and far field of vectorial nonparaxial Gaussian beams diffracted at the annular aperture, the nonparaxial diffraction at a circular aperture and a circular disc as our special cases in a unified way. The validity of our treatment is confirmed by direct numerical integration of the Rayleigh formulae. It is shown that the f-parameter and annular obscuration affect the beam nonparaxiality in the case of diffraction at the annular aperture.