Manipulation of Airy Beams in Dynamic Parabolic Potentials

The propagation of finite energy Airy beams in dynamic parabolic potentials, including uniformly moving, accelerating, and oscillating potentials, is investigated. The propagation trajectories of Airy beams are strongly affected by the dynamic potentials, but the periodic inversion of the beam remains invariant. The results may broaden the potential applications of Airy beams, and also enlighten ideas on Airy beam manipulation in nonlinear regimes.     

Dynamic Optical Vortex Trajectory Guided by the Symmetric Pearcey Gaussian Vortex Beam in the Uniformly Moving Parabolic Potential

This paper analytically and numerically proposes the propagation dynamics of the symmetric Pearcey Gaussian vortex beam (SPGVB) in the uniformly moving parabolic potential. The optical vortex located in the initial plane produces a vortex channel in the presence of the uniformly moving parabolic potential, called the vortex trajectory. The vortex trajectory can be manipulated dynamically by configuring different combinations of the parameters, and the optical intensity and the focal position can also be affected. Moreover, the spatial dynamic vortex trajectory is derived analytically, and the 2D on-axis and off-axis vortex scenarios are also presented. Our work expands the methods of the vortex trajectory manipulation and may broaden more practical potential applications in the particle manipulation.     

Symmetric Swallowtail Beams in the Rectangle Frame

A new type of symmetric swallowtail beam (SSB) in the rectangle frame is introduced here. These kinds of beams are highly tunable with multiple manipulation parameters. The focal length and the focus intensity can be controlled precisely. The SSBs can guide the off-axis vortex to their center. And the experimental results agree well with the numerical simulations. Besides, stable trapping of particles by utilizing the SSBs' auto-focusing property and rectangle symmetry is also observed.     

Electron Acceleration by Beating of Two Intense Cross-Focused Hollow Gaussian Laser Beams in Plasma

This paper presents propagation of two cross-focused intense hollow Gaussian laser beams(HGBs) in collisionless plasma and its effect on the generation of electron plasma wave(EPW) and electron acceleration process,when relativistic and ponderomotive nonlinearities are simultaneously operative. Nonlinear differential equations have been set up for beamwidth of laser beams, power of generated EPW, and energy gain by electrons using WKB and paraxial approximations. Numerical simulations have been carried out to investigate the effect of typical laser-plasma parameters on the focusing of laser beams in plasmas and further its effect on power of excited EPW and acceleration of electrons. It is observed that focusing of two laser beams in plasma increases for higher order of hollow Gaussian beams,which significantly enhanced the power of generated EPW and energy gain. The amplitude of EPW and energy gain by electrons is found to enhance with an increase in the intensity of laser beams and plasma density. This study will be useful to plasma beat wave accelerator and in other applications requiring multiple laser beams.     

强流脉冲高斯分布束在磁四极透镜中的非线性传输

用李代数方法分析了高斯分布下强流脉冲束在磁四极透镜中的非线性传输.在高斯分布下,束流的空间电荷势可利用Green函数算出,进而可以得到包含束流自场的粒子运动的Hamilton函数.再施加李变换,就可以得到粒子运动的各级近似解.本文给出二级近似下的结果,根据需要,还可以扩展到更高级近似.计算过程需要进行迭代,即根据每次算出的轨迹值,确定束团在三维实空间中的大小,然后再进行迭代,直到满足精度要求为止.     

基于滚动粒子群算法的空对地攻击轨迹控制决策

针对空对地攻击的轨迹规划问题,建立战机的六自由度模型、全向RCS模型、以及各类威胁模型。选取推力系数、攻角以及横滚角为控制量,确立对地攻击航迹控制决策指标函数以及决策最优控制模型。采用滚动粒子群算法,通过粒子群算法获得控制量在每个决策时域内的最优值并结合滚动时域控制实现对航迹的在线规划。经过仿真分析表明该方法可以控制载机完成作战任务并能给出控制量的变化规律,为飞行员提供决策辅助信息。     

高斯型非均匀部分相干光的大气湍流传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和交叉谱密度函数,对高斯型非均匀关联的部分相干光束在大气湍流中的传输特性进行了研究.结果表明,部分相干光的相干度的变化和源平面的高斯调制半宽、传输距离等有着密切关系.在传输过程中,初始平面相干度分布存在突变,在传输过程中消失;光束中两点的相干度随着传输距离的增加先增大后减小,并且相干度的分布由非均匀分布变成均匀分布.这种非均匀关联的部分相干光束在激光通信领域具有广阔的应用前景.     

A Concise Method to Predict the Mean Dynamic Pressure on a Plunge Pool Slab

Hydrodynamic pressure exerted on a plunge pool slab by jet impingement is of high interest in high dam projects. The present study experimentally investigated the characteristics of pressure induced by a jet through a constant width flip bucket (CFB) and a slit flip bucket (SFB). A pressurized plane pipe was employed in the flume experiments to control the inlet velocities in the flip buckets. A concise method is proposed to predict the mean dynamic pressure field. Its implementation is summarized as follows: First, the position of the pressure field is determined by the trajectories of free jets, and to calculate its trajectories, an equation based on parabolic trajectory theory is used; second, the maximum mean dynamic pressure is obtained through dimensional analysis, and then the pressure field is established by applying the law of Gaussian distribution. Those steps are integrated into a concise computing procedure by using some easy-to-obtain parameters. Some key parameters, such as takeoff velocity coefficient, takeoff angle coefficient, and the parameter k2, are also investigated in this paper. The formulas of these coefficients are obtained by fitting the experimental data. Using the proposed method, the easy-to-obtain geometric parameters and initial hydraulic conditions can be used to calculate the maximum mean dynamic pressure on the slab. A comparison between experimental data and calculated results confirmed the practicability of this model. These research results provide a reference for hydraulic applications.     

大气湍流中孔径限制下高斯光束的传播特性

在扩展Huygens-Fresnel原理和Rytov近似的基础上,得到了孔径限制下湍流大气中高斯光束平均光强的积分表达式,利用数值模拟方法分析了轴上和接收面上平均光强的分布,并得到了波阵面半径、传播距离、湍流强度和波长与平均光强的关系曲线图.结果表明在湍流大气中波长、传播距离、发射孔径和波阵面半径的改变会引起平均光强重心的漂移,传播距离增加会导致光束的展宽.     

高斯光束在外加空间调制电场的光折变晶体中的演化

研究了高斯光束在外加空间调制电场的光折变晶体中的演化,结果表明,在不同的外加调制电场作用下高斯光束的光场分布会随着外电场变化而被调制。重点研究了同相位和反相位以及相位差为π/2的高斯光束在外加空间调制电场的光折变晶体中的相互作用,在外加空间分布线性增加电场作用下出现了许多新的实用特性,通过调整外加电场分布,可以让两同相位相干光靠得更近而不发生融合,也可以让两靠得很近的反相位光束可控偏转,还可以控制相位差为π/2的两相干光束进行能量转移。这种连续变化的电场可以用阶梯分布的电场替代,为工程实现提供了可能。     

衍射扭曲高斯-谢尔模型光束在远场的光谱移动和光谱开关

从部分相干光的传输理论出发,研究了被光阑衍射扭曲高斯-谢尔模型光束远场的光谱变化规律。结果表明,扭曲高斯-谢尔模型光束在远场也会出现光谱移动和光谱开关效应。与衍射高斯-谢尔模型光束情况相比,光谱移动和光谱开关效应不仅与光束空间相关性、截断参量和源光谱谱宽有关,光束的扭曲因子也会对衍射扭曲高斯-谢尔模型光束远场的光谱移动和光谱开关效应产生影响。通过数值计算结果详细讨论了光束扭曲因子影响衍射扭曲高斯-谢尔模型远场光谱的规律。     

部分相干高斯-谢尔模型光束在介质中传输的M2因子

在波数K为复数的情况下,对部分相干光强度二阶矩及M2因子的定义进行了修正。以部分相干高斯谢尔模型(GSM)光束为例,讨论了光束在介质中传输时M2因子的变化。研究结果表明,部分相干光束在增益或损耗介质中传输时的M2因子与光束在无增益无损耗介质传输时的M2因子具有不同变化特性,此时,M2因子不仅只与部分相干光的相干参量β有关,且随着传输距离B和表征介质增益(或损耗)特征Ki的增大而增大(或减小);随着相干长度σ0的具体尺寸、波数实部Kr的减小而增大(或减小)。为控制光束质量提供几种有效的途径。     

大气湍流对斜程传输准单色高斯-谢尔光束时间相干性的影响

由第一类零阶贝塞尔函数的级数展开推导出波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式。由广义惠更斯-菲涅耳原理、随高度变化的Hufnagel-Valley湍流廓线模型以及波结构函数在任意湍流条件下的近似表达式,导出了斜程传输时准单色高斯-谢尔光束互相干函数的解析式。然后,利用表征光束时间相干性的纵向相干长度(可由互相干函数导出),研究了斜程传输时大气湍流对准单色高斯-谢尔光束时间相干性的影响。研究结果表明,准单色高斯-谢尔光束的时间相干性在整个斜程传输过程中保持不变。最后,对该结果在物理上给予了定性解释。     

理论模拟有核细胞对高斯光束偏振散射特性的影响

利用双层球形粒子模拟了有核细胞;根据广义米理论(GLMT),对入射激光束(高斯光束)利用矢量球谐函数进行展开;利用分离变量法研究了有核细胞对高斯光束的散射特性的影响.数值计算了高斯光束正入射时,斯托克斯散射矩阵中各元素的角分布,并与平面波入射情况进行了比较.     

离焦写入线宽的动态高斯模型

为提高集成光学器件中的多线宽制作效率,提出了基于激光直接写入技术的离焦加工模式,即加工时激光束的聚焦点不落在胶层表面而是在其前方或后方;同时还建立了基于多个加工参量的线宽数学模型。此线宽模型首先假定激光束经物镜变换后,在像方任意离焦面上的能量仍保持高斯分布,其次还考虑了光束动态扫描引起的光斑线度对曝光能量分布的影响,故称其为动态高斯模型。此线宽模型涉及光功率、基片离焦量、光束扫描速度、胶层曝光能量阈值等加工参量。对线宽模型的验证在自行研发的极坐标型激光图形发生器上进行,实验表明:相对于不考虑光斑运动的静态高斯模型,动态高斯模型更为符合实验结果。     

抛物量子线中束缚磁极化子的性质

研究抛物量子线中束缚磁极化子的性质,采用线性组合算符和幺正变换方法导出了强、弱耦合两种情况下的基态能量、振动频率和光学声子平均数.结果表明,无论是强耦合还是弱耦合情况,抛物量子线中束缚磁极化子的振动频率λ、基态能量E₀和光学声子平均数N都随约束强度ω₀的增大而迅速增大.     

利用模拟方法研究RFQ加速器中正、负离子束同时加速的动力学问题

在以时间为自变量的PARMTEQ程序的基础上,添加了另一带相反电荷的束流进行动力学计算,同时考虑了正、负离子束加速的空间电荷效应和束团间的作用.并针对特定结构参数的RFQ加速器,给出了双束加速的动力学模拟过程和结果.模拟计算的目的在于研究正、负离子束在RFQ加速结构中同时加速所引起的动力学问题.结果表明,正、负离子束同时加速有助于克服径向空间电荷效应,但在流强较大时,双束加速时,将会在纵向出现明显的异性电荷之间的“捕捉”(trap)现象,从而导致纵向粒子损失数目的增加.因此,为实现双束加速,必须专门重新设计RFQ加速器,使其传输效率高于单束,才能体现出双束加速的优越性     

弱光探测器中复合抛物面聚光镜

基于非成像光学的原理,设计并研制了一种用于弱光探测器的复合抛物面聚光镜.提出基于遗传算法的优化设计聚光镜电子光学系统的新方法,将探测器阳极对光电子的接收率作为遗传进化的目标函数,把复合抛物面聚光镜系统的几何结构参量和电参量作为优化设计的搜索变量,通过控制遗传算法的遗传进化方向,进行全局优化调整.仿真实验结果表明,优化后的聚光镜在会聚光线的同时可以对光电子实现有效的会聚.当入射角为30°时,光透过率高于75%,电子收集率为100%,可以满足具有反射式光电阴极和大探测面积的弱光探测器要求.     

库仑场对抛物量子点中强耦合极化子性质的影响

采用线性组合算符和幺正变换方法研究了在库仑场束缚下抛物量子点中强耦合束缚极化子的振动频率和基态能量。并对其进行了数值计算,结果表明:强耦合束缚极化子的振动频率和基态能量随量子点的有效受限长度的增加而减小,随电子-LO声子耦合强度的增加而增加,束缚极化子的基态能量随库仑势的增加而减小。     

抛物量子点中弱耦合束缚极化子的性质

研究了抛物量子点中弱耦合束缚极化子的性质。采用线性组合算符和幺正变换方法导出了束缚极化子的振动频率和基态能量。讨论了量子点的有效受限长度、电子-LO声子耦合强度和库仑场对抛物量子点中弱耦合极化子的振动频率和基态能量的影响。数值计算结果表明：弱耦合束缚极化子的振动频率和基态能量随有效受限长度的增加而减小,振动频率随库仑势的增加而增加,基态能量随耦合强度、库仑势的增加而减小。