湍流大气中聚焦平台光束焦移及光斑尺度

 通过理论分析和数值模拟,对聚焦平台光束大气传输的焦移问题进行了研究。聚焦平台光束在湍流大气中传输时,湍流将导致光束的束腰向发射点移动,且湍流越强移动的幅度越大;大气湍流强度相同时,聚焦平台光束发射口径越小,其束腰移动的幅度越大。另外,通过调节发射系统的焦距,使聚焦平台光束的束腰正好位于接收探测器处时,接收探测器上的激光功率密度并非最大,只有当发射系统的焦距等于激光的传输距离时,接收探测器上的激光功率密度才会最大。     

湍流大气中聚焦平台光束焦移及光斑尺度

通过理论分析和数值模拟,对聚焦平台光束大气传输的焦移问题进行了研究。聚焦平台光束在湍流大气中传输时,湍流将导致光束的束腰向发射点移动,且湍流越强移动的幅度越大;大气湍流强度相同时,聚焦平台光束发射口径越小,其束腰移动的幅度越大。另外,通过调节发射系统的焦距,使聚焦平台光束的束腰正好位于接收探测器处时,接收探测器上的激光功率密度并非最大,只有当发射系统的焦距等于激光的传输距离时,接收探测器上的激光功率密度才会最大。     

用环围功率法研究双曲正弦高斯光束的焦移

从Collins公式出发研究了无光阑双曲正弦高斯光束的聚焦特性。研究发现聚焦双曲正弦高斯光束的轴上光强为零,因此Li和Wolf二人研究焦移的方法不再适用。使用环围功率法定义束宽和实际焦面,由此可以决定聚焦双曲正弦高斯光束的焦移。数值计算表明,聚焦双曲正弦高斯光束的焦移与偏心参数和菲涅耳数有关,焦移随偏心参数和菲涅耳数的减小而增大。此外,还分析了双曲正弦高斯光束的最佳聚焦问题。     

用环围功率法研究双曲正弦高斯光束的焦移

 从Collins公式出发研究了无光阑双曲正弦高斯光束的聚焦特性。研究发现聚焦双曲正弦高斯光束的轴上光强为零，因此Li和Wolf二人研究焦移的方法不再适用。使用环围功率法定义束宽和实际焦面，由此可以决定聚焦双曲正弦高斯光束的焦移。数值计算表明，聚焦双曲正弦高斯光束的焦移与偏心参数和菲涅耳数有关，焦移随偏心参数和菲涅耳数的减小而增大。此外，还分析了双曲正弦高斯光束的最佳聚焦问题。     

漂移对聚焦高斯光束闪烁影响的数值模拟

 采用非自适应坐标变换对聚焦高斯光束在湍流大气中的传输进行了数值模拟,结果显示轴闪烁指数并没有出现如Rytov理论所预言的随初始光束半径的增大而明显减小的现象,其原因在于Rytov近似理论未考虑大尺度湍涡产生的漂移效应对闪烁的贡献。对比数值模拟结果与漂移理论结果以及相关实验结果,三者相吻合,表明未考虑漂移效应的Rytov近似理论不能完全准确地描述聚焦光束的闪烁特征,在研究聚焦光束的闪烁时,应当考虑漂移的影响。     

漂移对聚焦高斯光束闪烁影响的数值模拟

采用非自适应坐标变换对聚焦高斯光束在湍流大气中的传输进行了数值模拟,结果显示轴闪烁指数并没有出现如Rytov理论所预言的随初始光束半径的增大而明显减小的现象,其原因在于Rytov近似理论未考虑大尺度湍涡产生的漂移效应对闪烁的贡献。对比数值模拟结果与漂移理论结果以及相关实验结果,三者相吻合,表明未考虑漂移效应的Rytov近似理论不能完全准确地描述聚焦光束的闪烁特征,在研究聚焦光束的闪烁时,应当考虑漂移的影响。     

非球面系统中高斯光束传输的数值计算

高斯光束的理论公式从整体上描述了光束的传输特性,但并没有描述光束内每一光子的传播行为。基于高斯光束的单叶双曲面特性,建立了一个新的高斯光束光子传输模型。该模型将高斯光束视为由无数个共轴单叶双曲面构成的双曲线体,光子传播方向是在过该光子初始发射点的双曲面的两条直母线中等概率选择。基于该模型,通过计算大量光子经光学系统的传播轨迹可获得高斯光束的几何构形、光强分布、光子光程分布及其传播方向。对实际非球面光学系统的计算结果充分验证了该方法可全面、准确地模拟高斯光束的传输特性,且数值计算效率高。     

湍流大气中高斯谢尔光束的波前位错

在Rytov近似下,通过引入短期统计平均位错位置的概念,研究了高斯谢尔光束通过近地面弱湍流大气传播时,波前圆形位错形成和位错位置与湍流大气起伏强度和传播距离等参数间的关系.基于湍流大气中平行和交叉双光束的简化近似传输模型,研究了湍流大气中传播高斯谢尔光束波前位错位置与大气湍流强度、传输距离等参数间的相关机制.在远小于光波位相起伏周期的条件下,分别得出了束径不同同轴双光束和交叉双光束传播情况下波前圆位错位置的湍流系综统计平均理论关系.所得结果表明,同轴平行光束干涉和交叉光束干涉所产生的光束波前位错受大气湍流强度、传输距离等参数调制的规律是不同的.     

高斯光束通过双焦透镜的聚焦特性

从Collins公式出发,研究了高斯光束通过双焦透镜后的聚焦特性。在无光阑的情况下,给出了轴上光强和x, y方向两束腰及其位置的解析公式。详细的数值计算表明,轴上光强最大点位于其中一个束腰位置附近或者相重合,但始终不能超过透镜较大的焦点。并且,相对束腰的位移随光阑效应的增加而增加。     

高斯光束通过双焦透镜的聚焦特性

 从Collins公式出发,研究了高斯光束通过双焦透镜后的聚焦特性。在无光阑的情况下,给出了轴上光强和x, y方向两束腰及其位置的解析公式。详细的数值计算表明,轴上光强最大点位于其中一个束腰位置附近或者相重合,但始终不能超过透镜较大的焦点。并且,相对束腰的位移随光阑效应的增加而增加。     

多色矢量高斯-谢尔模型光束的焦移和焦开关

从交叉谱密度矩阵的传输公式出发,对多色矢量高斯-谢尔模型（GSM）光束的焦移和焦开关作了详细的研究.插入偏振片之前,多色矢量高斯-谢尔模型（GSM）光束通过硬边光阑透镜分离光学系统后,有焦移,但无焦开关;而插入偏振片之后,会出现焦开关.改变偏振片的旋转角度可以控制焦开关的特性.     

Focal shift in radially polarized hollow Gaussian beam

Focal shift in radially polarized hollow Gaussian beam (HGB) with radial wavefront distribution is investigated theoretically. The wavefront phase distribution is cosine function of radial coordinate. Simulation results show that the intensity distribution in focal region of the radially polarized HGB can be adjusted considerably by the beam order of HGB n and cosine parameter C that indicates the phase change degree. On increasing C, focus can shift along optical axis and focal pattern changes remarkably. Focus may move in different direction under different condition. Focal shift distance fluctuates on increasing C, and fluctuation amplitude also increases simultaneously. In addition, threshold value of C for focal shift from one side to the other side of the paraxial focal plane differs for different n.     

高斯光束在克尔型非线性介质中演化的奇异特性

由光束在克尔型吸收介质中传输的非线性薛定谔方程出发,推导了高斯光束注入介质后满足的耦合方程。在不考虑高阶展开项的前提下,将介质分为无吸收、有吸收两种情况,对脉冲的腰斑半径的演化进行了解析分析,得到注入克尔型非线性介质中的高斯光束,形成“孤波”必须满足光束在束腰处注入,介质没有吸收的条件;当考虑高阶展开项时,通过数值分析发现,无论介质是否存在吸收,光束传输不存在“孤波”形式,而是在注入强度的控制之下。当注入强度较小时,自聚焦过程是它的一个主要结果。但当注入脉冲的强度增加后,除了腰斑半径不为零的区间增加,光束仍保持聚焦的正常现象之外,存在一个阈值。当注入强度超过此阈值时,腰斑半径随着距离的增加而快速增加,聚焦趋势根本就不存在。     

TAGSM光束在大气湍流中传输

基于广义惠更斯－菲涅耳原理,利用部分相干光复曲率张量研究了有扭曲的各向异性高斯－谢尔模型光束在湍流大气中的传输规律.根据有扭曲的各向导性高斯-谢尔模型光束在大气湍流中传播距离z处的部分相干复曲率张量给出了光束参量的表达式和详细的数值计算结果.结果表明：大气湍流减缓了光束扭曲参量随传播距离的衰减趋势,增大了主方向上的波前曲率的峰值,而且大气湍流退化了光束的相干性,使得光束扩展严重;光源扭曲参量大小和相干性也都会影响TAGSM光束在大气湍流中传输时各个光束参量的变化规律.     

激光湍流大气传输数值模拟中计算参量的选取

根据抽样原则、湍流介质特性、湍流效应和光传播效应等全面分析了网格间距、相屏间距和网格数目等关键计算参量选取的基本要求.通过数值计算,分析各种要求的可行性,表明在具体的数值模拟过程中,并非所有要求都能同时满足,若严格按照要求选择计算参量,所需的计算量常超出计算机负荷范围.结合具体数值计算,综合考虑计算机承受能力和计算准确度,给出了一种可靠实用的计算参量选取思路和方案.     

Numerical simulation of a Gaussian beam profile passing through a Kerr medium

The circular Gaussian beam shape has been simulated by numerical evaluation on beam shape based on z-scan method through beam radius. This method is useful in many studies such as z-scan experiments. The validity of the relation between peak and valley separation in close aperture data and the diffraction length of the beam has been investigated by this method for some real cases. The results are in good agreement with the experimental studies.     

大气湍流中高斯空心涡旋光束的焦面光强分布

运用广义惠更斯-菲涅耳原理和相位结构函数的平方近似,研究了聚焦高斯空心涡旋光束通过湍流大气传输后在焦平面内的光强分布的理论模型,同时分析了不同大气折射率结构常数C2n、聚焦距离、光束拓扑荷和湍流外尺度对焦面光强分布特性的影响.结果表明:随着聚焦距离的增加,焦面光强分布由中央凹陷状向高斯分布转变.弱湍流对焦面光强分布的影响可以忽略;高拓扑荷光束在湍流大气中传输时光波奇异性的保持较低拓扑荷奇异光束要强;随着湍流外尺度增加,焦面光强分布的中央凹陷状变浅,光强分布变平滑.     

Focal shift of cylindrical vector axisymmetric Bessel-modulated Gaussian beam with radial variance phase wavefront

Axisymmetric Bessel-modulated Gaussian beam with quadratic radial dependence (QBG beam) has attracted much attention recently. In this paper, the focal shift of the cylindrical vector QBG beam with radial variance phase wavefront is investigated theoretically by vector diffraction theory. Results show that focus shifts considerably by changing the phase parameter C that indicates the radial phase variance speed. Under condition of small beam parameter μ of cylindrical vector QBG beam, there is one focal peak that shifts far away from optical aperture on increasing C. When μ increases, there may occur two focal peaks that also shift remarkably on increasing C. And it was found that the dependence of focal shift distance on increasing phase parameter is linear. Phase parameter adjusts the focal shift distance, while, polarization angle does not affect focal shift obviously.