光纤端面衍射场光束参数及其测量

基于非傍轴标量光束的传播理论和横截面上光强的精确描述,分析了光纤端面衍射场光束特征参数的解析表达式,并与傍轴近似条件下的结论进行了比较.证明了傍轴近似对于弱导光纤的合理性,但是随着光纤相对折射率差Δ增大,傍轴近似由于忽略了衍射角度,远场发散角角半径和M2因子比考虑衍射角度时偏小.最后提出了一种可行的实验测量光束参数的方法,这种方法没有忽略衍射角度影响,从理论上说,比傍轴近似更为客观可靠.     

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     

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     

矢量可控空心光束的非傍轴传输

提出了矢量可控空心光束概念,可控空心光束可以很好地描写中心光强不完全为零的圆对称窄心光束,具有可用多个参最米控制中央暗斑尺寸、形式简单易于分析、其传输变换特性更接近于实际等特点.利用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,导出了矢量可控空心光束的非傍轴传输解析公式,从所得结果可退化得到傍轴近似结果.利用导出的公式计算分析了矢量可控空心光束在自由空间的非傍轴传输特性,并与傍轴结果进行了比较分析.结果表明矢量可控空心光束在近场很好地保持其空心光场分布特性;参量f和传输距离决定了矢量可控空心光束的非傍轴特性.     

介质平面波导TE0模衍射场的光束参量

对于傍轴光束，提出了介质平面波导衍射场的近场模场半宽度、远场发散角半宽度和光束传输因子M^2等光束参量之间满足简单的关系式，三个光束参量均可直接由波导模式场分布精确计算，或由可实际精确测量的远场衍射频谱分布精确计算。M^2因子的计算公式可表述为以二阶矩和微分算子定义的近场模场半宽度的比值，或以二阶矩和微分算子定义的远场发散角半宽度的比值。最后推导出介质平面波导TE0模衍射场光束参量的解析函数和光束参量的范围。     

截断非傍轴标量高斯光束的传输特性

基于精确光强定义下非傍轴标量光束的二阶矩理论,计算了不同束腰及光阑孔径条件下截断非傍轴标量高斯光束的束腰半径、远场发散角以及质量因子等光束传输特性,并将截断非傍轴标量高斯光束与自由高斯光束和平面波圆孔衍射光束进行了比较.数值计算表明截断参量的不同对截断高斯光束的传输特性影响很大.当R2ω0时,截断高斯光束与高斯光束在自由空间传输特性趋于一致,因此在精确光强定义下,对于非傍轴标量光束来说,当光阑孔径大于2倍束腰时,可以不考虑光阑对高斯光束的衍射作用.当R0.3ω0时,截断高斯光束传输特性趋于平面波通过圆孔的衍射曲线.因此,在这种情况下,可以将高斯光束作为平面波处理.只有当光阑孔径介于0.3倍束腰和2倍束腰之间时,需要同时考虑光阑孔径和高斯束腰对衍射的影响.     

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     

无衍射特殊光束的产生与三维表征

无衍射光束(如贝塞尔光束、艾里光束)因具有无衍射、自愈合的特性, 在很多领域都有广泛的应用. 本文提出使用纯相位型空间光调制器对光场的复振幅进行调控, 从而可以产生多种复杂模式的无衍射光束, 如强度可独立调控的多个零阶贝塞尔光束, 两个高阶贝塞尔光束干涉生成的花瓣状无衍射光束, 具有多个主瓣的加速光束等特殊的无衍射光束. 通过在待测焦场附近放置一个平面反射镜, 使其沿光轴快速扫描光场, 并由数字相机同步拍摄反射回来的一系列二维光场强度分布信息, 可实现对无衍射光束三维光场强度分布的快速测量和表征. 本实验方法和技术可以快速产生各种复杂的特殊光场并获得其精确的三维可视化重建效果, 在光学显微、光学俘获、光学微加工等领域有潜在的应用价值.     

衍射效应诱导涡旋光束的偏振度变化

基于惠更斯-菲涅耳衍射原理以及部分相干光的相干与偏振的统一理论,研究了衍射效应诱导部分相干涡旋光束的偏振度变化.通过理论分析与数值计算表明,部分相干涡旋光束经圆孔衍射后偏振度将发生变化,在衍射场中光束的偏振度分布情况与入射光束的相干度、入射光束的拓扑电荷数、衍射孔径的大小等因素有关.     

非相干泵浦辅助的电磁诱导非厄密衍射光栅

提出一种基于非相干泵浦辅助的非厄密电磁诱导光栅的理论方案,其中物理系统由具有三能级Lambda型结构的超冷原子系综与非相干泵浦场组成。该方案仅通过单重空间周期调制便可获得光学宇称-时间对称和宇称-时间反对称等非厄密光学对称性。通过对探测光束透过该系统的远场衍射特性的研究发现：首先,通过非相干泵浦速率与控制光束失谐的操控可以实现不同非厄密光学对称性的切换;其次,在光学深度不变的前提下,可以通过非相干泵浦场对系统的衍射效率进行有效调制,从而引入全新的操控自由度;此外,控制光束失谐的相位可以有效操控系统的衍射对称性及衍射模式。该理论研究结果可以促进非厄密光学与散射型全光器件的研究与开发,并应用于量子光学与量子信息处理等领域。     

Propagation properties of vectorial elliptical Gaussian beams beyond the paraxial approximation

Starting from the vectorial Rayleigh diffraction integral formula and without using the far-field approximation, a solution of the wave equation beyond the paraxial approximation is found, which represents vectorial non-paraxial elliptical Gaussian beams in free space. The far-field expressions for non-paraxial Gaussian beams and elliptical Gaussian beams can be regarded as special cases treated in this paper. Some basic propagation properties of vectorial non-paraxial elliptical Gaussian beams, including the irradiance distribution, phase term, beam widths and divergence angles are studied. Numerical results are given and illustrated.     

Accuracy analysis of simplified and rigorous numerical methods applied to binary nanopatterning gratings in non-paraxial domain

A set of simplified and rigorous electromagnetic vector theories is used for analyzing the transmittance characteristics of diffraction phase gratings. The scalar diffraction theory and the effective medium theory are validated with the exact results obtained via the rigorous coupled-wave theory and the finite-difference time-domain method. The effects of surface profile parameters and also the angle of incidence is demonstrated to be a limiting factor in the accuracy of these theories. Therefore, the error of both simplified theories is also analyzed in non-paraxial domain with the intention of establishing a specific range of validity for both simplified theories.     

严格耦合波理论和Kogelnik耦合波理论近似比较

将严格耦合波理论与Kogelnik近似理论比较，研究了Kogelnik理论的近似条件。以两种理论的衍射效率特性曲线的相关或衍射效率计算差别作为判断标准，分析Kogelnik耦合波理论的近似条件。分析结论表明，体全息的Kogelnik理论近似条件与条纹密度、折射率调制度和介质厚度相关，其中反射体全息的近似条件还与条纹面倾角相关。     

Partially coherent non-paraxial vectorial Hermite-Gaussian beams and their far-field properities

The far-field theory of partially coherent vectorial non-paraxial beams is expanded and their analytical propagation expressions of the Wigner distribution function matrices and the cross-spectral-density matrices in free space are derived using the far-field approximation. Some interesting cases, in particular the vectorial non-paraxial partially coherent Hermite-Gaussian (HG) beams, are discussed and treated as special cases of our general expressions. It is shown that the f_σ and f parameters play an important role in determining vector and non-paraxiality of partially coherent HG beams. When two parameters are small enough, scalar and paraxial vectorial approximation is allowed; otherwise, non-paraxial vectorial approximation is applied. But the decided parameters additionally affect their far-field divergence angles.     

Analytical and experimental remarks on the Sommerfeld's half plane solution

An experiment is performed in order to test some features of the Sommerfeld's half plane solution that is claimed to be a rigorous solution to a diffraction problem. Some remarks related to the boundary diffraction wave theory are accomplished.     

基于格林函数法的奇型Mathieu-Gaussian光束

根据光束传播的独立性和叠加性原理,引入了一组能够产生第一类(2n+2阶)奇型Mathieu-Gaussian光束的虚光源点.利用虚源点技术和格林函数法,计算得到第一类奇型Mathieu-Gaussian光束的严格解析积分表达式.利用该表达式得到了轴上光场分布的积分解析解.以三阶非旁轴修正为例,得到了第一类奇型Mathieu-Gaussian光束保留到三阶非旁轴修正项的轴上光场分布精确解.     

夫琅和费衍射与大角度衍射

众所周知,夫琅和费衍射的解析强度分布和暗纹位置是在一系列近似情况下导出的。其中最重要的条件是观测点必须限制在傍轴附近,衍射角不能太大,否则得不到简单的解析公式,也就不能称之为夫琅和费衍射。最近发现有人发明错误的理论将夫琅和费衍射概念及其测量扩展到90°角,其结论与常识截然相反,因此,有必要把混淆的概念予以澄清。     

强聚焦条件下连续位相板散斑特性的矢量分析

连续位相板(CPP)经过透镜聚焦后,在焦平面上形成一个散斑场,散斑场的统计性质决定了CPP的束匀滑特性。当使用大数值孔径透镜聚焦后,傍轴近似不再成立,因此分析CPP焦斑特性时标量衍射理论不再适用。采用Richard-Wolf矢量衍射理论对强聚焦条件下的CPP焦斑进行了计算,在此基础上分析了矢量焦斑场的统计特性,讨论了焦斑的轮廓。结果表明,由于非近轴的原因,矢量分析得到的焦斑尺寸略大,且通过矢量分析后能够得到z轴方向的光场分量。散斑场的振幅分布满足瑞利分布特性,强度分布满足负指数分布特性,且矢量合成方向的光强分布会略微偏离负指数分布特性。     

超短脉冲贝塞尔光束的非近轴效应对传输的影响

 对超短脉冲贝塞尔光束在近轴近似和非近轴情况下自由空间中的传输作了研究。结果表明，其空间波形在传输中保持贝塞尔形状不变，不受非近轴效应影响；然而当空间参数较大时，非近轴效应影响超短脉冲贝塞尔光束的时间波形。     

夫朗和费近似与夫朗和费衍射测量的准确度

较详细地讨论了夫朗和费衍射的本质、夫朗和费近似的准确含义以及倾斜因子对衍射花样的影响。从不同的角度导出了单缝夫朗和费衍射的光强公式和测量公式 ,指出了这些公式之间的区别与联系以及傅里叶光学中作近似分析时存在的问题。认为文献 [1]、[3 ]得出错误结论的深层次原因是错误地理解了夫朗和费近似的概念。当用夫朗和费衍射测量微小物体的尺寸时 ,只要正确地应用测量公式 ,便能得到准确的测量结果。测量的准确度原则上与衍射角的大小及被测物的尺寸无关 ,最小可测尺寸仅由标量理论的成立范围决定