高阶贝塞尔脉冲光束通过色散光阑透镜的传输特性*

研究了高阶贝塞尔脉冲光束通过色散光阑透镜的光谱和时间空间特性.结果表明:脉冲光束在几何焦面上会出现光谱开关,透镜色散使产生光谱开关的临界位置向z轴移动|透镜一阶色散使几何焦面上峰值光强减小,并使脉冲波形产生显著时间移动和展宽,而二阶和高阶色散的影响较小.此外,光束阶数n和空间参量α也会影响横向光强分布.     

贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性

对等衍射长度贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性作了研究,结果表明,通过选择适当的空间参数,贝塞尔-高斯脉冲光束沿轴上传输时,脉冲宽度不变。传输距离小于无衍射长度时,随衍射角增加,功率谱形状未变,脉冲波形保持不变;传输距离大于无衍射长度时,随衍射角增加,光谱由蓝移变为红移,脉冲展宽。     

贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性

 对等衍射长度贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性作了研究,结果表明,通过选择适当的空间参数,贝塞尔-高斯脉冲光束沿轴上传输时,脉冲宽度不变。传输距离小于无衍射长度时,随衍射角增加,功率谱形状未变,脉冲波形保持不变;传输距离大于无衍射长度时,随衍射角增加,光谱由蓝移变为红移,脉冲展宽。     

类贝塞尔脉冲光束传输中的空间诱导色散效应

利用空间诱导色散概念,从理论上研究了等束腰宽度的类贝塞尔脉冲光束在自由空间中传输性质.在一阶近似的情况下,类贝塞尔脉冲光束的空间和时间部分可以做分离变量,空间部分在传输过程中保持类贝塞尔光束传输的特性,而时间波形部分的传输遵循空间诱导色散理论.利用数值模拟方法模拟了 Bessel-Gauss 脉冲光束和elegant Laguerre-Gauss脉冲光束的传输.结果证实,只要传输距离小于类贝塞尔光束的无衍射距离,空间诱导群速度色散理论能够很好地描述类贝塞尔脉冲光束脉冲形状的演化过程.     

高阶贝塞尔-高斯脉冲光束相位奇点的演化

 推导出被光阑衍射高阶贝塞尔-高斯脉冲光束的场和光强分布的解析公式,对其相位奇点的演化特性做了计算和分析。结果表明,高阶贝塞尔-高斯脉冲光束经光阑衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒。随脉冲频率和脉冲宽度增加,等相位线均沿逆时针方向旋转,涡旋核随脉冲频率增加而减小,而脉冲宽度对涡旋核大小几乎无影响。等相位线随截断参数和传输距离的增加分别沿逆时针和顺时针方向旋转,涡旋核大小随截断参数增加而变化,随传输距离和光束阶数的增加而增大。     

高阶贝塞尔-高斯脉冲光束相位奇点的演化

推导出被光阑衍射高阶贝塞尔-高斯脉冲光束的场和光强分布的解析公式,对其相位奇点的演化特性做了计算和分析。结果表明,高阶贝塞尔-高斯脉冲光束经光阑衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒。随脉冲频率和脉冲宽度增加,等相位线均沿逆时针方向旋转,涡旋核随脉冲频率增加而减小,而脉冲宽度对涡旋核大小几乎无影响。等相位线随截断参数和传输距离的增加分别沿逆时针和顺时针方向旋转,涡旋核大小随截断参数增加而变化,随传输距离和光束阶数的增加而增大。     

超短脉冲高斯光束通过透镜的聚焦特性

利用傅里叶积分变换法研究了超短脉冲高斯光束通过透镜的聚焦特性,给出了透镜焦平面上光强的空间、时间分布,以及能量密度分布。在所用数学处理中未使用缓变包络近似,结果对于包括单周期超短脉冲情况都是成立的。数值计算结果和物理分析表明,不考虑色散时,焦点附近的脉冲宽度相对于初始脉冲几乎不变。对于色散透镜,研究了透镜色差和群速度色散影响。透镜色差使焦点附近的脉冲(特别是脉冲前沿)显著展宽,能量密度分布展宽,峰值功率降低。群速度色散会进一步使脉冲展宽,脉冲前沿出现振荡,峰值功率降低,但它对脉冲光束的能量密度分布影响很小。更高阶的色散效应影响较小。     

超短脉冲贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输特性

 使用复解析信号法研究了束宽与频率无关的超短脉冲贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输特性。研究表明：在无衍射长度内,超短脉冲贝塞尔-高斯光束的横向光强分布几乎不变并集中在传输轴附近,轴上脉冲随传输距离增加而展宽。在无衍射长度外,横向光强分布显著扩展。随传输距离增加,轴上光谱蓝移先增加,达到极大值后逐渐减小,最后在远场趋于一渐近值。对单周期的超短脉冲贝塞尔-高斯光束的轴上光谱蓝移先增加,达到极大值0.50 fs^-1。然后逐渐减小,在远场蓝移趋于渐近值0.16 fs^-1。     

部分相干修正贝塞尔高斯光束通过球差透镜的聚焦特性

由部分相干光的传输理论出发,对部分相干修正贝塞尔高斯光束通过球差透镜聚焦后轴上光强分布进行了研究.数值计算表明:当光谱相干度较小时,正、负球差对应的最佳聚焦点位于无球差时对应的最佳聚焦点的两侧;当光谱相干度较大时,正、负球差对应的最佳聚焦点将位于无球差时对应的最佳聚焦点的左侧.研究进一步表明,最佳聚焦点随着透镜菲涅耳数的增大向几何焦点方向靠近,并趋于一个定值.当光束菲涅耳数为1时,无球差时对应的最佳聚焦点逐渐趋于0.908,该值与光谱相干度无关,当透镜具有球差时,该值与光谱相干度有关.     

带宽对脉冲贝塞尔光束传输的影响

从惠更斯-菲涅耳衍射积分公式出发得到具有高斯型频谱分布的脉冲贝塞尔光束频率域的传输表示式,并使用傅里叶变换最后推导了脉冲贝塞尔光束时间域的传输公式。根据得到的公式通过具体数值计算对脉冲贝塞尔光束在自由空间中的传输进行了研究。计算结果表明脉冲光束的带宽对脉冲贝塞尔光束传输中的脉冲时间延迟和脉冲宽度产生影响。具体表现为脉冲光束带宽的增宽使脉冲时间延迟增大,并使脉冲时间波形的后沿拖长,从而导致脉冲宽度增宽。脉冲时间延迟和脉冲宽度还随传输距离发生变化。脉冲光束传输距离越大,脉冲时间延迟越大,脉冲宽度变得越宽。     

经光阑衍射的高阶贝塞耳光束位相奇点演化特性

推导出了高阶贝塞耳光束通过有光阑近轴ABCD光学系统传输的解析公式,用以研究了高阶贝塞耳光束被光阑衍射位相奇点的演化特性.结果表明:高阶贝塞耳光束经光阑系统衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒,但涡旋核大小会随光阑半径、传输距离和光束阶数而变化;随光阑半径和传输距离变化,圆刃型位错会消失或产生.     

Spectral behavior of pulsed Bessel beams focused by a dispersive lens

Starting from the Huygens–Fresnel diffraction integral, the analytical expression for the power spectrum of pulsed Bessel beams focused by a dispersive aperture lens is derived and used to study the spectral anomalies of pulsed Bessel beams in the focused field. Numerical calculation results are given to illustrate the dependence of spectral anomalous behavior on the pulse parameters, truncation parameter and material dispersion of the lens. It is shown that near the phase singularities the spectral anomalies may take place. The potential applications of spectral anomalies of ultrashort pulsed beams in information encoding and information transmission are considered.     

柱透镜聚焦高阶Bessel光束产生焦散光束

研究了高阶Bessel光束经过柱透镜后的光场分布特性.在广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论基础上,推导出高阶Bessel光束透过柱透镜后的衍射光场分布表达式;并利用MATLAB和MATHCAD模拟了不同传播距离处的光强分布.实验上,利用轴棱锥和螺旋相位板产生不同阶数的高阶Bessel光束,并使产生的高阶Bessel光束经过柱透镜,最后用CCD记录下不同距离处的衍射光场.研究结果表明,高阶Bessel光束经过柱透镜形成唇状的焦散光束.     

等衍射长度超短脉冲贝塞耳-高斯光束的传输特性

使用复解析信号法,研究了衍射长度与频率无关的超短脉冲贝塞耳－高斯光束在自由空间中的传输,推导出了解析表达式并进行了理论和计算分析.结果表明：在无衍射长度内,等衍射长度超短脉冲贝塞耳.高斯光束的横向光强分布扩展很小.在无衍射长度之外,横向光强分布有显著扩展.但是,在无衍射长度内轴上脉冲波形仍有展宽.随传输距离增加轴上蓝移单调增加逐渐达到一渐近值.随横向距离增加轴外光谱移动由蓝移变为红移.     

Spectral and spatiotemporal properties of Bessel–Gauss pulsed beams focused by a dispersive aperture lens

The spectral and spatiotemporal properties of Bessel–Gauss pulsed beams focused by a dispersive aperture lens are studied, where the dispersion of the first, second, and higher orders is taken into consideration. It is shown that the spectral switches take place at the geometrical focal plane, and the dispersion of the first order leads to a shift of the critical position towards the z-axis. The dispersion plays a noticeable role in the spatiotemporal intensity distribution. The dispersion of the first order results in a decrease of the peak intensity, in a shift and a broadening of the pulse form, and the effect becomes more noticeable with increasing waist width. The dispersion of the second order results in a further broadening and a decrease of the peak intensity, and the effect is larger as the thickness of the lens increases. However, the dispersion of the higher order plays a relatively minor role. The results are illustrated by numerical examples and interpreted physically.     

非均匀偏振光束通过环状光阑像散透镜的聚焦特性

借助于光束相干偏振矩阵和广义惠更斯－菲涅耳衍射积分公式,研究了非均匀偏振(NUP)光束通过环状光阑像散透镜的聚焦特性,并将圆孔光阑作为环状光阑内径为零的特例处理.数值计算结果表明,实际焦点位置、光强和偏振度分布与透镜的像散、环状光阑的菲涅耳数和遮拦比以及NUP光束参量有关.     

被光阑像散透镜聚焦高斯-谢尔模型光束轴上的光谱开关

从部分相干光的传输理论出发,研究了高斯-谢尔模型光束通过光阑像散透镜聚焦的光谱异变和光谱开关。研究表明,在考虑像散的情况下,聚焦场轴上也会出现光谱异变和光谱开关。光谱异变和光谱开关不仅与空间相关性、截断参量、菲涅耳数和源光谱谱宽有关,透镜像散对光谱异变和光谱开关也会产生影响。通过数值计算结果,重点对透镜像散对光谱移动和光谱开关的影响进行了分析。与无像散情况相比,像散会使出现光谱开关的临界位置发生变化,当像散较大时出现光谱开关的临界位置明显向几何焦面移动,特别是当像散增加到一定数值时,光谱开关会消失。