高斯光束经相位连续变化型波带片的衍射特性

根据瑞利-索末菲标量衍射理论分析了相位连续变化型波带片对高斯光束的衍射特性。在高斯光束入射下,对相位连续变化型波带片光轴和焦平面上的太赫兹强度分布特性进行了模拟,分析了入射光束的束腰半径和束腰位置对衍射场的影响,并与平面波入射的情况进行了对比。数值结果显示,相位连续变化型波带片可以实现对高斯分布太赫兹波的聚焦。相位连续变化型波带片的衍射规律与薄透镜的聚焦规律相似。通过合理调整束腰与波带片之间的距离可以保证衍射效率在85%以上。与平面波相比,高斯光束入射下的焦点处中心场强较小,但衍射效率较高。     

相位连续变化型太赫兹波带片

通过对太赫兹波段相位连续变化型波带片的系统研究,分析了特征尺寸与焦距、F数、预设频率、材料折射率等设计参数之间的关系,讨论了影响相位连续变化型波带片效率的几个主要因素。选取太赫兹透过率较高的泡沫聚乙烯和高密度聚乙烯材料,提出了设计方案,对所设计的波带片沿光轴方向太赫兹波强度变化以及焦平面太赫兹波强度变化给出了计算机模拟结果,并给出一组不同频率的波带片的特征参数。     

相位连续变化型太赫兹波带片

通过对太赫兹波段相位连续变化型波带片的系统研究,分析了特征尺寸与焦距、F数、预设频率、材料折射率等设计参数之间的关系,讨论了影响相位连续变化型波带片效率的几个主要因素。选取太赫兹透过率较高的泡沫聚乙烯和高密度聚乙烯材料,提出了设计方案,对所设计的波带片沿光轴方向太赫兹波强度变化以及焦平面太赫兹波强度变化给出了计算机模拟结果,并给出一组不同频率的波带片的特征参数。     

菲涅尔波带片对高斯光束的变换

从波带片的特性出发研究高斯光束通过波带片的聚焦特性。用失调望远系统的失调量变化调节出射光束聚焦点的位置，并对聚焦点的变化范围和光斑大小进行描述，最后对波带片对高斯光束聚焦特性进行评价。     

高斯光束经环形光栅的衍射特性分析

基于傅里叶-贝塞尔变换计算高斯光束垂直入射环形光栅时的衍射远场分布,分析了其衍射远场光强分布的一般规律,并与平面波入射时的情况进行了比较.计算结果表明:当光栅半径为1.5倍高斯光束束腰半径时,随着光栅环数的增加,中央亮斑半值全宽先减小后增大、中央亮斑所包含的功率占总功率的比值减小、中央主极大光强值减小,三者的变化趋势与平面波入射时的趋势一致;中央亮斑半径、次极大光强值变化趋势与平面波入射时的变化趋势不同.当环数小于5时,高斯光束经过环形光栅的衍射场光强变化无规律;当环数大于10后两种情况下衍射场光强变化都不明显;当环数趋于无穷时中央亮斑半径、中央亮斑半值全宽、次极大光强值趋于圆孔衍射(环数等于1)时的值,中央亮斑所包含的功率占总功率的比值约等于圆孔衍射时的1/2,中央主极大光强值约等于圆孔衍射时的1/4.     

高斯光束经环形光栅的衍射特性分析

基于傅里叶-贝塞尔变换计算高斯光束垂直入射环形光栅时的衍射远场分布,分析了其衍射远场光强分布的一般规律,并与平面波入射时的情况进行了比较.计算结果表明：当光栅半径为1.5倍高斯光束束腰半径时, 随着光栅环数的增加,中央亮斑半值全宽先减小后增大、中央亮斑所包含的功率占总功率的比值减小、中央主极大光强值减小,三者的变化趋势与平面波入射时的趋势一致;中央亮斑半径、次极大光强值变化趋势与平面波入射时的变化趋势不同.当环数小于5时,高斯光束经过环形光栅的衍射场光强变化无规律;当环数大于10后两种情况下衍射场光强变化都不明显;当环数趋于无穷时中央亮斑半径、中央亮斑半值全宽、次极大光强值趋于圆孔衍射(环数等于1)时的值,中央亮斑所包含的功率占总功率的比值约等于圆孔衍射时的1/2,中央主极大光强值约等于圆孔衍射时的1/4.     

可变光阑对高斯光束衍射特性分析

可变光阑作为常见的光学器件,广泛应用于光束整形和空间滤波.根据可变光阑的工作原理可知,其通光孔是多边弧形而非圆形,这导致当光束经可变光阑衍射时,近场会出现齿状光斑.本文对可变光阑的近场衍射图像进行了实验测量,并且采用Matlab对多边弧形的衍射特性进行了理论仿真,理论仿真结果与实验观测结果一致.     

高斯光束经圆形光阑衍射的远场发散特性

线偏振高斯光束经圆形光阑衍射后,其远场可表示成互相正交的横电(TE)项和横磁(TM)项之和。利用TE项和TM项的远场能流分布,导出了高斯衍射光束的TE项和TM项远场功率的解析表达式,由此可度量TE项和TM项在远场占总功率的比例。基于能流二阶矩的定义,给出了高斯衍射光束、TE项和TM项远场发散角的解析式以及三者远场发散角间的关系通式,重点分析了f参数和截取参数对远场发散角的影响。结果表明:随着f参数的增大,远场发散角先增大后趋向于各自的饱和值。截取参数对远场发散角的影响与f参数相关,当f参数较大时,截取参数对远场发散角的影响不明显;当f参数适中时,随着截取参数的增大,远场发散角先减小后趋向于各自的最小值;但当f参数较小时,高斯衍射光束和TM项二者的远场发散角出现一定的波动性。     

高斯光束经圆形光阑衍射的远场发散特性

线偏振高斯光束经圆形光阑衍射后,其远场可表示成互相正交的横电(TE)项和横磁(TM)项之和。利用TE项和TM项的远场能流分布,导出了高斯衍射光束的TE项和TM项远场功率的解析表达式,由此可度量TE项和TM项在远场占总功率的比例。基于能流二阶矩的定义,给出了高斯衍射光束、TE项和TM项远场发散角的解析式以及三者远场发散角间的关系通式,重点分析了f参数和截取参数对远场发散角的影响。结果表明:随着f参数的增大,远场发散角先增大后趋向于各自的饱和值。截取参数对远场发散角的影响与f参数相关,当f参数较大时,截取参数对远场发散角的影响不明显;当f参数适中时,随着截取参数的增大,远场发散角先减小后趋向于各自的最小值;但当f参数较小时,高斯衍射光束和TM项二者的远场发散角出现一定的波动性。     

高斯光束照射下的圆盘夫琅禾费衍射

推导了高斯光束照射圆孔或圆盘的衍射场普遍表达式，计算了半波带数接近于零的情况下上述衍射场的数据，进而分析了圆盘衍射场在艾里斑中增加一个暗环的原因。     

Design and Analysis of Diffractive Axicons for Gaussian Beam Illumination

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｒｅｃｅｎｔｌｙｔｈｅｒｅｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅａｘｉｃｏｎｓｔｈａｔｐｒｏｄｕｃｅａｆｏｃａｌｓｅｇｍｅｎｔｗｉｔｈｎｅａｒｌｙｕｎｉｆｏｒｍｏｐｔｉｃａｌｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｌｏｎｇｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｘｉｓｗｉｔｈｉｎａｓｐｅｃｉｆｉｅｄｒｅｇｉｏｎｂｅｈｉｎｄｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔ[1～1 2 ] .Ｔｈｉｓｉｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｕｎｕｓｕａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａ…     

Fresnel zone plate with apodized aperture for hard X‐ray Gaussian beam optics

Fresnel zone plates with apodized apertures [apodization FZPs (A‐FZPs)] have been developed to realise Gaussian beam optics in the hard X‐ray region. The designed zone depth of A‐FZPs gradually decreases from the center to peripheral regions. Such a zone structure forms a Gaussian‐like smooth‐shouldered aperture function which optically behaves as an apodization filter and produces a Gaussian‐like focusing spot profile. Optical properties of two types of A‐FZP, i.e. a circular type and a one‐dimensional type, have been evaluated by using a microbeam knife‐edge scan test, and have been carefully compared with those of normal FZP optics. Advantages of using A‐FZPs are introduced.     

Focusing properties of Gaussian beam by a nonspiral phase plate system

In this article, a nonspiral plate is investigated numerically by vector diffraction theory to observe the focusing properties of Gaussian beams. Both low- and high-numerical-aperture (NA) optical systems are considered in the investigation. It is found that the parameter of NA and the phase vary rate of the phase plate influence the focal intensity distribution considerably. When a nonspiral plate is used to provide linear phase variation on one half of the Gaussian beam, it may adjust the focal spot considerably and conveniently. Changing the vary rate of the phase plate or the parameter of NA can alter optical intensity distribution; some novel focal spots and focal switch may also occur.     

光束畸变对连续相位板性能的影响

研究了光线追迹和随机相位滤波作为初始相位设计的连续相位板下,光束畸变对连续相位板整形性能的影响。结果表明：随机相位滤波得到的连续相位板相比光线追迹获得的连续相位板,在幅度畸变、离焦的容忍度等方面都有优越性;进一步分析了相位畸变、对准误差、口径误差等对连续相位板性能的影响,确定了相位畸变是影响性能的首要因素,并且大目标焦斑的畸变宽容度更大,由此引入了波前的相对畸变因子,在所定义的连续相位板性能标准下,波前容忍度为0.5。     

用于光束匀滑的连续相位板近场均匀性

为降低高功率激光系统中连续相位板(CPP)后续元件的强激光损伤风险,综合考虑入射光强调制、干涉及衍射作用等多种影响因素,建立了CPP近场计算分析模型,模拟和分析了这些因素对CPP后的近场均匀性的影响。理论分析结果表明：CPP后的光束近场均匀性主要受入射光调制、CPP表面剩余反射率和衍射传输距离的影响;当入射光束质量较差时,CPP后的近场均匀性主要由入射光束质量决定,CPP剩余反射率和衍射传输距离对近场均匀性影响相对较小;但当光束质量比较理想时,干涉和衍射作用会破坏CPP的近场均匀性,衍射传输距离影响尤为突出。     

随机高斯型相位板的束匀滑特性

 针对激光系统对光束匀滑的需求,设计了高斯型连续相位板,并对其远场特性进行了研究。分别计算了相干长度为39,30,10和3 mm的高斯相位板远场光斑分布,结果显示相位板自身相关长度是决定远场能量分布的重要因素,当相干长度大于10 mm时,由于不满足各态历经条件,远场光斑分布能量分散。当相干长度小于10 mm后,由于满足各态历经条件,远场光斑能量将接近理想的高斯分布特性。通过数值计算模拟了相干长度为3 mm的连续相位板对畸变光束进行匀滑处理的过程,演示了束匀滑处理结果。通过比较匀滑前后远场光斑的能量分布,显示了畸变光束通过连续相位板后远场光斑能量分布变化情况,通过相位板后,光斑形状明显接近理想高斯分布情况。     

孔径光阑限制下高斯光束的传输

对高斯光束在硬边孔径限制下的衍射进行了详细的理论研究,就不同口径的圆孔限制下高斯光束在菲涅耳衍射区和夫琅禾费衍射区的分布进行了理论分析,从而得到了孔径受限高斯光束的横向以及轴向的衍射公式,进而对高斯光束在不同衍射区域内衍射光场分布形状随孔径尺寸变化时的演化规律进行了数值计算,并对小口径光阑受限的高斯光束的衍射与平行光经同尺寸光阑的衍射进行了比较。结果表明在较小口径下,两者的分布基本一致。得到的孔径光阑限制下高斯光束的传输规律为高斯光束在自由空间光通信和光学超分辨中的应用提供了理论基础。