随机电磁涡旋光束的深聚焦特性

基于德拜矢量积分理论,研究了随机电磁涡旋光束经过大数值孔径透镜之后的聚焦特性及透镜的数值孔径、入射光束的偏振度、拓扑荷以及横向相干长度对焦平面附近聚焦光束的光强分布和相干度的影响.结果表明:适当地选择相关参量,可在焦平面上得到椭圆形光斑的光强分布以及平顶光强分布.随机电磁涡旋光束在焦平面上同一点处两个相互垂直分量之间的相干度,不同两点处两个相同分量之间的相干度以及不同两点处两个相互垂直分量之间的相干度研究表明,入射光束的拓扑荷和横向相干长度对聚焦光束的相干性有着十分明显的影响.     

基于紧聚焦方式的阵列光束相干合成特性分析

为获得高功率、波长量级尺寸的聚焦光斑,提出利用紧聚焦方式实现阵列光束相干合成的新方案.通过建立阵列光束经紧聚焦方式相干合成的物理模型,分析了阵列光束的排布方式、偏振态、束宽、间距和紧聚焦系统数值孔径等参数对合成光束特性的影响及规律.结果表明,阵列光束经紧聚焦方式合束时,线偏振及圆偏振阵列光束均能获得较好的合成效果,径向偏振阵列光束次之,而角向偏振阵列光束则不能有效地合成.通过优化阵列光束的排布方式、束宽和间距,以及合理选择紧聚焦系统的数值孔径,能在保持较好光束质量和较高合成效率的前提下获得能量集中度高的焦斑.     

离轴高斯涡旋光束的深聚焦特性

基于德拜矢量衍射积分理论,对离轴高斯涡旋光束经过大数值孔径透镜后聚焦场的特性进行了研究,获得了离轴高斯涡旋光束深聚焦后复振幅分布函数,在此基础上对离轴高斯涡旋光束深聚焦场的光强和相位分别进行了分析.数值模拟结果表明:离轴距离的改变对高斯涡旋光束在焦平面上的光强分布和相位分布会产生影响,离轴距离的增加会加剧聚焦场光强在y轴方向上分布的差异,而离轴距离的符号决定了光强集中区域的方向.另一方面,与一阶离轴涡旋光束不同,高阶离轴涡旋光束经过深聚焦后会发生暗核分裂现象,出现多个相位奇点,奇点个数等于原始光束对应的拓扑荷数,且分裂后的奇点具有明显的对称性.研究表明,这种暗核分裂现象由大数值孔径透镜深聚焦引起.     

双环径向偏振涡旋光束经介质界面的深聚焦

基于矢量德拜理论,研究了双环径向偏振涡旋光束经介质分界面的深聚焦特性。当选取适当的入射光束拦截比时（即透镜孔径半径与入射光束的束腰半径的比）,在聚焦场中可以得到一个极小的局域空心光束。局域空心光束的大小不仅与透镜的数值孔径有关,还与聚焦场介质的折射率有关。另外,还研究了透镜的数值孔径、入射光束的拦截比以及探测深度对聚焦光束实际焦点位置的影响。通过对聚焦光束的实际焦点位置的计算发现：当选取一定的光束拦截比时,聚焦光束存在一个焦点开关。     

高阶矢量光束高数值孔径聚焦特性的研究

本文利用Richards-Wolf矢量衍射积分模型对-2到4阶的贝塞尔型 矢量光束经高数值孔径聚焦后焦平面处的光强分布进行了理论仿真和特性研究, 并对矢量光束的聚焦场在真空下俘获玻璃小球的梯度力分布进行了仿真. 结果表明聚焦场的形状、尺度及各分量的变化与矢量光束的阶数有密切关系, 且具有特定的规律; 此外, 聚焦场的梯度力分布与矢量光束的阶数也有密切关系,并且具有多种不同形状和尺度的光陷阱.     

J0相干角向偏振涡旋光束的深聚焦

通过矢量德拜理论,研究了J0相干角向偏振涡旋光束深聚焦的性质。推导了在焦点区域的光强分布、光谱相干度和偏振度的表达式。数值模拟结果表明,光强分布、相干度和偏振度不仅依赖于相干长度和数值孔径最大角,而且依赖于拓扑电荷数。这种光束在焦平面还可获得非常小的焦点和焦洞。     

J0相干角向偏振涡旋光束的深聚焦

通过矢量德拜理论,研究了J0相干角向偏振涡旋光束深聚焦的性质。推导了在焦点区域的光强分布、光谱相干度和偏振度的表达式。数值模拟结果表明,光强分布、相干度和偏振度不仅依赖于相干长度和数值孔径最大角,而且依赖于拓扑电荷数。这种光束在焦平面还可获得非常小的焦点和焦洞。     

双环径向偏振涡旋光束经介质界面的深聚焦

基于矢量德拜理论,研究了双环径向偏振涡旋光束经介质分界面的深聚焦特性。当选取适当的入射光束拦截比时(即透镜孔径半径与入射光束的束腰半径的比),在聚焦场中可以得到一个极小的局域空心光束。局域空心光束的大小不仅与透镜的数值孔径有关,还与聚焦场介质的折射率有关。另外,还研究了透镜的数值孔径、入射光束的拦截比以及探测深度对聚焦光束实际焦点位置的影响。通过对聚焦光束的实际焦点位置的计算发现:当选取一定的光束拦截比时,聚焦光束存在一个焦点开关。     

部分相干幂指数相位涡旋光束的传输特性研究

本文针对部分相干幂指数相位涡旋光束的传输特性开展研究,首先建立了部分相干幂指数相位涡旋光束的传输理论模型;然后,仿真研究了部分相干幂指数相位涡旋光束在自由空间和ABCD光学系统中的传输特性,研究结果表明部分相干幂指数相位涡旋光束在自由空间传输时,拓扑荷数、幂指数和相干长度都对光强的分布有着一定的影响,而随着传播距离的增大光斑的面积逐渐增大;当光束在聚焦系统中传输时,只有拓扑荷数和幂指数的变化会影响光强的分布,而相干长度对光束整体强度的分布没有太大的影响,只影响了光斑的质量.本文研究成果揭示了部分相干幂指数相位涡旋光束的传输特性,为其在光学捕获等领域的应用打下了理论基础,对促进新型光场调控理论及应用研究具有重要的意义.     

部分相干平顶高斯光束通过球差透镜的聚焦特性

基于部分相干光的传输理论,研究了部分相干平顶高斯光束通过球差透镜聚焦后轴上点的光强分布。数值计算表明:轴上最佳聚焦点随着球差从负到正的变化而向几何焦点方向移动;光束阶数越大,实现最佳聚焦点越过几何焦点所需的正球差值越小;正负球差对应的最佳聚焦点始终分居于无球差时最佳聚焦点的两侧;轴上最佳聚焦点的光强随着球差从负到正的变化而变小;当正负球差绝对值较大时,光强随球差的变化较为缓慢,而在球差值为0附近,光强随球差的变化比较剧烈。     

Tight Focusing of Radially and Azimuthally Polarized Vortex Beams through a Dielectric Interface

Based on vectorial Debye theory, tight focusing of radially and azimuthally polarized vortex beams passing through a dielectric interface are studied. The intensity distribution in the focal region is illustrated by numerical calculations. We show the influence of numerical-aperture （NA） on the full-width at half maximum （FWHM） of the focal spot or the focal hole. It has been found that compared with the azimuthally polarized Besse~Gaussian （BG） beams, the longitudinal component in the z direction of the radially polarized BG beams has no influence on the FWHM of the focal spot and hole, but enhances the total light intensity.     

Tight Focusing Properties of Azimuthally Polarized Pair of Vortex Beams through a Dielectric Interface

Tight focusing properties of an azimuthally polarized Gaussian beam with a pair of vortices through a dielectric interface is theoretically investigated by vector diffraction theory. For the incident beam with a pair of vortices of opposite topological charges, the vortices move toward each other, annihilate and revive in the vicinity of focal plane,which results in the generation of many novel focal patterns. The usable focal structures generated through the tight focusing of the double-vortex beams may find applications in micro-particle trapping, manipulation,and material processing, etc.     

柱矢量涡旋光束强聚焦特性的修正研究

对现有柱矢量涡旋光束强聚焦公式的不足进行修正,数值模拟了不同拓扑核柱矢量涡旋光束的强聚焦场分布.结果表明:调节偏振旋转角、数值孔径以及遮挡通光孔径可以有效地构造平顶光束与暗通道.调节偏振旋转角能改变涡旋光束径向部分与角向部分的相对强度,实现平顶聚焦;增加孔径遮挡值可以在相对较小的数值孔径下形成平顶光束.当孔径遮挡较大时可以在高数值孔径下实现更窄的暗通道.     

Focusing of Partially Coherent Vortex Beams by an Aperture Lens

The focusing properties of partially coherent vortex wave fields are studied. Expressions are derived for the intensity distribution and the degree of coherence near the geometrical focus. It is found that the size of coherence vortex dark core in the focal region depends on the topological charges and normalized coherence lengths. It is found that the desired vortex dark core near the geometrical focus can be generated by choosing appropriate values of parameters. The degree of coherence possesses a pair of phase singularities regions in the geometrical focus neighbourhood.     

Tight Focusing Properties of Radially Polarized Gaussian Beams with Pair of Vortices

The tight focusing properties of a radially polarized Gaussian beam with a nested pair of vortices having a radial wave front distribution are investigated theoretically by the vector diffraction theory.The results show that the optical intensity in the focal region can be altered considerably by changing the location of the vortices nested in a radially polarized Gaussian beam.It is noted that focal evolution from one annular focal pattern to a highly confined focal spot in the transverse direction is observed corresponding to the change in the location of the optical vortices in the input plane.It is also observed that the generated focal hole or spot lead to a focal shift along the optical axis remarkably under proper radial phase modulation.Hence the proposed system may be applied to construct tunable optical traps for both high and low refractive index particles.     

部分相干电磁光束的光谱交叉偏振度

基于光谱交叉偏振度新理论,研究了部分相干光束在传输过程中光谱交叉偏振度的变化情况.采用相干偏振统一理论和广义惠更斯-菲涅耳原理,推导部分相干电磁高斯-谢尔模型光束在自由空间传输时任意空间两点的交叉谱密度矩阵的解析式.研究表明,光谱交叉偏振度的值不再仅仅局限在0～1之间,而是可为任意的非负值.传输场中的光谱交叉偏振度与光源相关参量,初始偏振度和传输距离紧密相关.当光束经过足够长的传输距离后,轴上光谱交叉偏振度不再发生变化,而是趋向一个稳定值.保持光谱交叉偏振度不变的条件与一般偏振度相同.     

Tightly Focusing of Circularly Polarized Vortex Beams through a Uniaxial Birefringent Crystal

Under the approximation of small birefringence, the properties of circularly polarized vortex beams tightly focused through a uniaxial birefringent crystal are studied. With the proper combination of the topological charge and the birefringence, the small focus, the small bottle beam and the inverse c-shaped intensity profile can be obtained. The effects of the focal shift and the Strehl ratio on the birefringence are analysed. A relation between angular momentum （included spin and orbital） and topological Pancharatnam charge is also presented.     

球差对圆偏涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用理查德-沃耳夫矢量衍射积分,分析了初级球差对圆偏振涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响,获得不同球差系数下的光强分布.结果表明,当初级球差系数增加,会聚光点偏离系统焦平面,纵向光场发生改变;焦点光强逐渐减小,焦平面光场发生变化;光轴上光强峰值逐渐减小,峰值两侧的旁瓣变化趋势相反,光强由对称分布变成非对称分布;初级球差对贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响不依赖其偏振态;离焦无法完全补偿初级球差对聚焦光场的影响.     

Polarization Changes of Partially Coherent Electromagnetic Vortex Beams Propagating in Turbulent Atmosphere

We investigate the polarization change of partially coherent electromagnetic vortex beams propagating in turbulent atmosphere. It is shown that the polarization of the beams will experience changes, and the changes of the polarization are dependent on the spatial coherence, topological charges of the beams, and the degree of polarization of the source plane and the atmospheric turbulence. The results obtained may have applications in space optical communication.