非傍轴双曲余弦高斯光束质量因子的研究

运用非傍轴标量光束的光强二阶矩理论,计算了非傍轴双曲余弦高斯光束的束腰半径、远场发散角、质量因子,并与傍轴双曲余弦高斯光束的质量因子进行了比较研究。数值计算表明:当双曲余弦高斯光束束腰半径较大时,傍轴与非傍轴理论计算的光束质量因子变化规律完全相同;束腰半径较小时,傍轴理论的计算结果有较大误差。     

非傍轴余弦-高斯光束的传输

从功率密度的二阶矩方法出发,对非傍轴余弦一高斯(CoG)光束的传输特性进行了系统的研究.结果表明,基于二阶矩定义的束宽在传输过程中满足简单的双曲线变化规律.非傍轴CoG光束的M2因子不仅与偏心参数α有关,而且还与f参数有关.在1/f足够小时,M2因子可小于1.当1/f→0时,远场发散角趋于渐近值63.435°.对于α=0(Ω0=0)的特例,非傍轴CoG光束的M2因子退化为非傍轴高斯光束的M2因子.     

非傍轴余弦平方-高斯光束的传输特性

基于功率密度的二阶矩方法,数值模拟研究了非傍轴余弦平方-高斯光束的束宽、远场发散角和M2因子.计算结果表明:1)束腰宽度W0(0)随w0/λ的增大而增大.当w0/λ较大(w0/λ≥0.5)时,束腰宽度随着偏心参数的增大而减小. 2)当w0/λ→0时,远场发散角趋于渐近值θ0max=63.435°,与偏心参数α无关.3)在非傍轴范畴,余弦平方-高斯光束的M2因子不仅与偏心参数α有关,而且还与初始束腰宽度和波长之比w0/λ有关.当w0/λ足够小时, M2因子可小于1.对给定的偏心参数α,M2因子随w0/λ的变化并非总是单调的.M2因子随w0/λ的增大而增大,当达到最大值后又逐渐减小,最后渐近趋于一稳定值.     

非傍轴双曲正弦高斯光束质量因子M2的研究

在标量光场角谱衍射理论的基础上,应用精确光强定义下的非傍轴标量光束的光强二阶矩理论,计算了非傍轴双曲正弦高斯光束的束腰半径、远场发散角、质量因子,并与傍轴双曲正弦高斯光束的质量因子进行了比较研究。数值计算表明,当双曲正弦高斯光束束腰半径较大时,传统光强定义下的光强二阶矩理论近似成立,傍轴与非傍轴理论计算的光束质量因子变化规律完全相同;束腰半径较小时,傍轴理论计算的结果有较大误差,必须采用精确光强定义下的非傍轴光束质量因子的定义作修正。     

非傍轴截断余弦-高斯光束的轴上光强

基于瑞利衍射积分公式,以非傍轴截断余弦-高斯(CoG)光束为例,对非傍轴截断光束的两种光强表示式,即传统的光强定义和光强的精确表述进行了比较研究.数值计算结果表明,两种定义之间的差异与截断参数,偏心参数,wo/λ和z/λ有关,其中w0,λ和z分别别为束腰宽度,波长和传输距离.     

矢量非傍轴厄米余弦高斯光束

引入了矢量非傍轴厄米余弦高斯(HCosG)光束的概念,从矢量瑞利 - 索末菲衍射积分公式出发,得出了矢量非傍轴HCosG光束在自由空间的解析传输公式,并将非傍轴HCosG光束在自由空间衍射时轴上、近场、远场以及在傍轴条件下的传输作为特例给出.数值计算和分析表明,对于矢量非傍轴HCosG光束,参数和偏心参数均对光束的非傍轴特性有重要影响.此外,其轴上光强分布与光束的阶数及其奇偶性有关.     

非傍轴高斯光束通过小孔光阑衍射的轴上光强

基于瑞利衍射积分,不使用通常的近似Rλ(λ为波长),推导出非傍轴高斯光束通过小孔光阑衍射的轴上光强的精确解析表达式。并对传统的光强定义和光强的精确表述进行了比较研究。结果表明,两种定义之间的差异与f参数,截断参数δ和传输距离z有关。     

非傍轴高斯光束产生的辐射力

本文给出了非傍轴高斯光束形成的单光束势阱对瑞利粒子所产生的辐射力公式,并作了数值计算,结果表明,与傍轴高斯光束所形成的单光束阱相比较,非傍轴单光束势阱具有2方面的优势,1）是所产生的辐射力更大;2）是存在多个平衡点,因而更利于控制瑞利粒子。     

双曲余弦高斯光束的聚焦特性

使用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分推导出双曲余弦高斯光束通过透镜聚焦的解析传输公式,从所得公式出发研究了聚焦光强随偏心参数的变化,讨论了光束的偏心参数和菲涅耳数对焦移的影响.研究得出偏心参数取恰当数值时光束达到最佳聚焦效果.     

非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性

为了研究非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性,运用Wigner分布函数法,从空间域和频率域对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性进行了理论分析,得出了该光束1阶情况下在空间、频率域系统的解析传输公式及光强分布表达式,分析了这些表达式中3个主要参量f,fσ和g对厄米-余弦-高斯光束在自由空间传输的影响。结果表明,在调制参量g不变时,束腰参量f和相干参量fσ对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束的非傍轴性起了至关重要的作用;非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束在传输过程中随着g的改变,不能保持其光强分布形状,有前移趋势。     

截断拉盖尔-高斯光束的MG2因子

用广义截断二阶矩方法对截断圆对称拉盖尔高斯光束的广义光束传输因子(MG2因子)作了研究,得到了MG2因子的解析公式,并用数值计算例作了说明。研究表明,截断圆对称拉盖尔高斯光束MG2因子与截断参数和光束的阶数有关。随着截断参数的增加,MG2因子逐渐趋近于无截断圆对称拉盖尔高斯光束的光束传输因子值。     

非傍轴旋转对称拉盖尔-高斯光束的远场发散角

基于功率密度的二阶矩方法,推导出了非傍轴旋转对称拉盖尔-高斯(LG)光束远场发散角的解析公式,并表示为伽玛函数的幂级数求和形式。计算结果表明,当初始束腰宽度和波长之比w0/λ趋于0时,对任意非傍轴旋转对称LG光束,远场发散角趋于渐近值63.435°,与阶数无关。对于p=0的特例,则退化为非傍轴高斯光束的结果。     

双曲余弦高斯光束的模相关和模结构分析

基于二阶矩方法和正交模系展开法 ,推导出双曲余弦高斯光束的光束传输M2 因子和模相干系数的解析表达式 ,从而可对双曲余弦高斯光束的模相关和模结构进行分析。提出了一种在实验室中产生双曲余弦高斯光束的简单方法。     

像散透镜对双曲余弦-高斯光束参量的影响

为了进一步研究双曲余弦-高斯光束的特性,从广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式出发,对双曲余弦-高斯光束通过像散透镜后的光束参量,例如束宽和远场发散角的相对误差作了研究.结果表明,束宽和远场发散角的相对误差与像散因子C2,偏心参量α,瑞利长度z0以及透镜焦距f等有关.几何焦面上x和y方向束宽的相对误差与像散系数C2和偏心参量α变化相同,而在像方束腰处两方向相对误差变化迥异.此外,束宽的相对误差还与传输距离z有关.因像散影响,在x和y方向远场发散角一般不相等,并且还与偏心参量α有关.     

多光阑光学系统对ChG光束的变换

基于将硬边光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法,推导出了双曲余弦高斯光束(ChG)通过多个光阑近轴ABCD光学系统的递推传输公式,该公式可用来解析地研究光束通过硬边光阑光学系统的传输特性。给出了数值计算结果,并与直接对Collins公式积分的结果进行了比较,显示出使用解析公式有节约大量机时的优点。     

用K参数描述光强陡峭度的有效性研究

光束光强分布的陡峭度或平整度通常可用陡峭度参数(K参数)来描述。以双曲余弦-高斯光束、贝塞尔函数调制的高斯光束和平顶高斯光束3种光束为例,给出了详细的数值计算和物理解释。研究表明,K参数只适用于描述呈钟形光束剖面的陡峭度,但不适用于有强衍射旁瓣、强调制或有中心凹陷的光束。     

球差透镜对超高斯光束光束质量影响的研究

根据束宽的传输方程,采用双曲线拟合的方法,计算了超高斯光束通过球差透镜后的M2因子。同时还研究有球差的超高斯光束在透镜几何焦面和实际焦面上的桶中功率(PIB)。以M2因子和PIB作为光束质量评价的参数,进行了详细的数值计算来说明球差对超高斯光束光束质量的影响,并与有球差的高斯光束做了比较。得出了一些有实际应用意义的结果。