基于法布里-珀罗腔的激光模式分析

法布里-珀罗腔(F-P)通常是由2面平行放置的反射镜组成的多光束干涉仪,将入射光束耦合进入F-P腔,光场会在反射镜间多次来回反射,经过干涉相长过程光场被增强,形成稳定腔内光场.为帮助学生更好地理解多光束干涉与谐振腔内模式产生的工作原理,基于F-P腔设计了可分辨激光模式的实验装置,探究不同激光模式的输出特性.通过实验观察...     

基于腔内球差选模产生高阶拉盖尔-高斯模式激光

本文报道了基于腔内球差在端泵Nd:YVO₄激光器中选择单一高阶拉盖尔-高斯(LG)振荡模式的实验研究.在激光谐振腔内使用短焦距透镜引入明显的球差,使具有不同光斑半径的各阶LG模式的光路在空间上发生分离,从而实现对模式的选择作用,1.03 W泵浦功率下线偏振1064 nm激光能够在LG_0,±10和LG_0,±33之间以单横模工作.分析发现适当的横模间球差是抑制边模、选择单一高阶LG模式的必要条件,而过大的球差又会导致单一LG模式自身遭受明显的损耗,不利于产生高阶的LG模式输出.据此进一步优化实验参数,获得了角向指数m达到±75的高阶LG模式输出.     

利用光学腔产生单环状拉盖尔-高斯模

提出并从实验上实现了利用光学腔产生单环状拉盖尔-高斯模的方法。给出了方案的理论描述及实验操作技巧。通过与平面波的干涉条纹验证了螺旋状的波前相位分布。     

利用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束

本文采用反射式纯相位液晶空间光调制器产生了实验需要的高阶拉盖尔高斯光束。理论上详细计算了生成高阶拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian)光束的最优参数选择,用MATLAB编写程序,制作产生高阶LG光束的相息图。通过CCD采集图像数据,观测了以平面波入射生成拉盖尔高斯光束的强度分布,并利用干涉法验证了产生高阶拉盖尔高斯光束的螺旋相位分布。在此基础上,对实验测得一维强度轮廓进行拟合分析并估算了实验产生LG光束的纯度。     

产生拉盖尔-高斯模的全息光栅实验研究

拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian,LG）模是光子的轨道角动量本征态,它在未来的光镊、量子信息和计算等领域有潜在的应用价值。分别用两种记录介质-全息干板和喷墨透明胶片-制作了全息光栅。通过这种全息光栅在实验上产生了拓扑数从一阶到高阶的拉盖尔-高斯模,同时观察到高阶模的空间不稳定特性。并且详细讨论了光栅制作过程中的各种控制参量如曝光时间及强度对光栅衍射效率的影响。     

拉盖尔-高斯截断级数展开法的应用

用拉盖尔-高斯截断级数模拟了任意半径的圆孔硬边光阑窗口函数,并应用于研究高斯光束和零阶贝塞尔-高斯光束通过硬边光阑的衍射。对高斯光束和零阶贝塞尔-高斯光束的轴向和横向光强分布的计算结果表明：当积分面不是很靠近光阑时,用参数最佳化选取的拉盖尔-高斯截断级数法与用直接数值积分所得结果符合很好。     

拉盖尔-高斯截断级数展开法的应用

 用拉盖尔-高斯截断级数模拟了任意半径的圆孔硬边光阑窗口函数,并应用于研究高斯光束和零阶贝塞尔-高斯光束通过硬边光阑的衍射。对高斯光束和零阶贝塞尔-高斯光束的轴向和横向光强分布的计算结果表明：当积分面不是很靠近光阑时,用参数最佳化选取的拉盖尔-高斯截断级数法与用直接数值积分所得结果符合很好。     

双拉盖尔-高斯腔光力系统中的腔内压缩冷却研究

机械振子的冷却是腔光力学研究的重要方向之一。计算光力噪声谱和稳态的最终声子数,对基于耦合光学参量放大器（OPA）的双拉盖尔-高斯腔光力系统中的腔内压缩冷却问题进行研究。在弱耦合条件下,利用微扰近似理论方法得出系统的光力噪声谱,基于费米黄金法则的理论计算出稳态下的最终声子数的解析表达式。利用入射泵浦光驱动腔场内耦合的OPA,使腔场内形成强烈的非线性压缩效应,量子反作用加热过程得到有效抑制,系统净冷却率得到显著提高。此外,讨论了其他系统参数对机械振子冷却的影响。最后研究了系统的稳态声子数,声子数可以在较大参数范围内小于1。该方案能有效地降低机械振子的冷却极限。     

厄米-高斯模与拉盖尔-高斯模的图像比较

简要地叙述了厄米-高斯模与拉盖尔-高斯模的一些理论,画出了具有代表性的厄米-高斯模与拉盖尔-高斯模在z=0平面的三维图像。为了了解厄米-高斯模与拉盖尔-高斯模的各种模态的关系,分别画出了它们的模态从(0,0)到(2,2)的强度等高线,并从模阶数与峰值、峰值的变化、延伸面积和对称性得到了它们各自的特性,然后进行对比得到它们之间的相同点和不同点。另外通过图像和公式说明了厄米-高斯与拉盖尔-高斯最低阶模(0,0)是一致的,即高斯模。对比了它们之间的电(磁)场和平均坡印廷矢量,不同点与模态有很大关系。画出横截面中振幅强度随传输距离增加而变化的图像,从中得到了束宽和峰值强度与传输距离之间的关系。     

相反拓扑指数的Laguerre-Gaussian模的产生和模间相互作用的实验研究

实验研究了带有相反拓扑指数的Laguerre-Gaussian(LG)模间的相互作用，发现含有相反拓扑指数的两个LG模在传播过程中其光场发生变化，观察到随着传播距离的增加，两个LG模的中心位相奇点会逐渐连成为一个弧形暗线形状.实验上验证了带有相反拓扑指数的光学涡流中的螺旋位错在传播过程中会演变为边位错这一理论结果.     

Elegant Laguerre-Gaussian beam in a turbulent atmosphere

Paraxial propagation of an elegant Laguerre-Gaussian beam (ELGB) in a turbulent atmosphere is investigated in detail. Analytical formulae for the average intensity and effective beam size of an ELGB in a turbulent atmosphere are derived based on the extended Huygens-Fresnel integral. The average intensity and spreading properties of an ELGB in a turbulent atmosphere are studied numerically and compared with those of a standard Laguerre-Gaussian beam (SLGB). Our results indicate that the propagation properties of an ELGB in a turbulent atmosphere are much different from its properties in free space, and are closely related to its beam parameters and the structure constant of the atmospheric turbulence. The ELGB with higher mode orders is less affected by the turbulence. The SLGB spreads more rapidly than the ELGB in a turbulent atmosphere under the same conditions. Our results will be useful in long-distance free-space optical communications. ©2010 Elsevier Science B.V. All rights reserved.     

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.     

同轴谐振腔高阶横磁模式参数的研究

理论计算和分析了微波圆柱同轴谐振腔高阶横磁(TM)模式的系列关联参数.研究发现：与圆柱腔相比, 同轴谐振腔的TM_n10模式有较大的模式间隔，即工作模式能够远离非工作模式的干扰，这有利于保持器件稳定的频率和功率；在保持腔长不变、腔横截面外半径取特定值时，腔内电场峰值位置的轴向特性阻抗随内径的变化存在极大值；在高频段可以采用任意大横截面的腔体结构和任意阶的模式.计算结果与仿真结果相一致. 关键词： 高阶横磁模式 圆柱同轴谐振腔 特性阻抗 多注速调管     

超高精细度微光学腔共振频率及有效腔长的精密测量

超高精细度微共振器是实现原子或者其他偶极子与腔强耦合作用的基本部分, 在腔量子电动力学(QED)、弱光非线性效应及微光学器件研究中扮演着重要的角色. 微腔基本参数的精密测量最终可以确定腔与原子的耦合系数、腔场衰减率, 对决定系统的动力学特性具有重要的意义. 但是由于超高精细度光学微腔本身的构造和多层镀膜的特点, 高精度地确定其共振频率及有效腔长存在一定困难. 本文结合修正的多层介质膜模型, 实验上完成了膜层为37层的超高精细度光学微腔在不同共振频率下有效腔长的精密测量, 获得了超高精细度光学微腔的共振频率及波长; 理论计算分析与实验测量结果相符, 对纵模间隔的测量精度误差低于0.004 nm, 较为修正前提高了约两个量级. 同时给出了对应不同模式数下, 光波渗入到介质中的深度. 该方法可望应用到其他微共振器的精密测量中. 关键词： 光学微腔 高精细度 共振频率     

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     

Analytically vectorial structure of an apertured Laguerre-Gaussian beam in the far-field

Based on the angular spectrum representation of an arbitrary electromagnetic beam and the method of stationary phase, an analytically vectorial structure of an apertured Laguerre-Gaussian beam in the far-field has been derived without any approximation. The analytical expressions of the energy flux of the TE term, the TM term, and the apertured Laguerre-Gaussian beam are also presented in the far-field, respectively. The energy flux distributions of the TE term, the TM term, and the apertured Laguerre-Gaussian beam are numerically demonstrated in the far-field reference plane. The influences of the f-parameter, the truncation parameter, the radial and angular mode numbers, and the dependent relation of angle on the energy flux distributions in the far-field of the TE term, the TM term, and the apertured Laguerre-Gaussian beam are also discussed in detail.     

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     

Electron bunch train excited higher-order modes in a superconducting RF cavity

Higher-order mode(HOM) based intra-cavity beam diagnostics has been proved effective and convenient in superconducting radio-frequency(SRF) accelerators.Our recent research shows that the beam harmonics in the bunch train excited HOM spectrum,which have much higher signal-to-noise ratio than the intrinsic HOM peaks,may also be useful for beam diagnostics.In this paper,we will present our study on bunch train excited HOMs,including a theoretical model and recent experiments carried out based on the DC-SRF photoinjector and SRF linac at Peking University.     

Nonlinear propagation of an intense Laguerre–Gaussian laser pulse in a plasma channel

The nonlinear propagation of an intense Laguerre–Gaussian(LG) laser pulse in a parabolic preformed plasma channel is analyzed by means of the variational method. The evolution equation of the spot size is derived including the effects of relativistic self-focusing, preformed channel focusing, and ponderomotive self-channeling. The parametric conditions of the LG laser pulse and plasma channel for propagating with constant spot size, periodically focusing and defocusing oscillation,catastrophic focusing, and solitary waves are obtained. Compared with the laser pulse with fundamental Gaussian(FG)mode, it is found that the effect of vacuum diffraction is reduced by half and the effects of relativistic and wakefield focusing are decreased by a quarter due to the hollow transverse intensity profile of the LG laser pulse, while the effect of channel focusing is the same order of magnitude with that of the FG laser pulse. Thus, the matched condition for the intense LG laser pulse with constant spot size is released obviously, while the parameters of the laser and plasma for the existence of solitary waves nearly coincide with those of the FG laser pulse.