基于瑞利-索末菲积分的大衍射角衍射光学元件设计方法

针对现有的衍射光学元件设计方法只适用于小角度衍射的情况,本文提出了一种基于瑞利-索末菲衍射积分的设计方法,可以用来设计具有大衍射角的衍射光学元件。先对目标光场进行坐标变换和强度调整,再利用改进的Gerchberg-Saxton算法优化得到衍射光学元件的相位分布。分别采用本文方法和原有的基于夫琅禾费衍射积分的方法设计衍射光学元件实现线条结构光和不同角度方框图形的光场重构,结果表明:原有的设计方法只适用于衍射角全角小于25°的情况,当衍射角大于25°时,重构光场会出现显著的枕形畸变和不均匀的强度分布。而本文方法在小角度和大角度衍射下都能重构出准确的衍射角和较为均匀的强度分布.     

平面波经小圆环衍射轴上光强特性分析

从标量衍射理论出发,采用瑞利-索末菲衍射边界条件,通过求解第一类瑞利-索末菲衍射积分得到平面波经圆环衍射后轴上的波函数,进而分析轴上的光强特性以及光强极值数量、位置和大小与衍射圆环内外孔径的关系.比较用传统的光强定义和精确定义得到的光强公式的偏差,以及偏差与内外半径的关系.并将圆环衍射向内半径为零和外半径为无穷大两个方向进行推广,即对圆孔和圆形障碍物两种情况下的衍射情况进行讨论.     

Nonparaxial Lorentz and Lorentz-Gauss beams

The Lorentz and Lorentz-Gauss beams are extended to the nonparaxial regime. Analytical propagation expressions of nonparaxial Lorentz and Lorentz-Gauss beams in free space are derived, and the propagation of paraxial Lorentz and Lorentz-Gauss beams is treated as a special case of our general results. The propagation properties of Lorentz and Lorentz-Gauss beams are illustrated and compared with numerical examples.     

Partially coherent nonparaxial modified Bessel--Gauss beams

The concept of partially coherent nonparaxial modified Bessel--Gauss (MBG) beams is proposed. Based on the generalized Rayleigh-Sommerfeld diffraction integral, the analytical propagation equations of nonparaxial MBG beams in free space are derived and analysed, and some special cases are discussed. In particular, under the paraxial approximation our results reduce to the corresponding paraxial ones. Numerical calculation examples are given to illustrate the dependence of intensity and spectral degree of coherence on the beam order $m$, \textit{$\xi $} and $f$ parameters, and to compare the difference between the paraxial and nonparaxial results.     

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     

二元环形孔径全空间轴线上的衍射光强分布

运用Rayleigh-Sommerfeld衍射积分,详细推导了二元环形孔径全空间在轴光强分布公式.由于未作明显的近似,所得公式对衍射距离大于数倍入射波长的衍射空间都是有效的.计算并分析了这种孔径轴线上的光强分布情况.结果显示,它的最大调制深度是入射光强的16倍,比圆形孔径或环形孔径大4倍,近场的光学层析能力比远场的强.在很近场区,二元环形孔径的在轴光强分布对孔径结构比较敏感,这些特性使这种孔径在光子学和光纤光学的应用方面具有潜在的价值.     

半导体激光器远轴光束的准直特性研究

对半导体激光器光束准直场的研究具有重要的意义,半导体激光器的远轴模型能精确描述其发出的光束。根据瑞利索末菲衍射公式,利用稳相法得出了半导体激光器远轴光束经过透镜准直后的场分布解析表达式。根据该表达式可以得出如下结论:准直后光束在两个方向上的光斑大小与透镜焦距成正比,且与传输距离无关,沿轴光强与波导尺寸参量和准直透镜焦距有关,且与透镜焦距成平方反比关系,在传输距离较短的情况下,准直光场相位分布近似为球面,传输距离较长时,光场相位近似为平面.这些结论在工程应用中具有重要的价值。     

Airy beams beyond the paraxial approximation

The behavior of the vectorial Airy beams beyond the paraxial approximation is investigated. Indeed, closed-form (even though non exact) expressions for the electric components of the fields generated by the same boundary conditions, which should pertain to the scalar Airy beams, are obtained on the basis of the vectorial Rayleigh-Sommerfeld diffraction integrals under suitable approximations. Such expressions may accompany more complete approaches, like that in Opt. Expr. 17, 22432 (2009), where a fully numerical analysis of the propagation of exponentially smoothed Airy beams has been presented, faithfully reproducing the conditions of their experimental demonstration as reported in Phys. Rev. Lett. 99, 213907 (2007). Comments on other well known approaches to the investigation of the nonparaxial propagation of definite paraxial beams are also given.     

激光直写制作的小F数连续浮雕衍射透镜轴向聚焦特性分析

为确定卷积效应以及深度制作误差对小F数连续浮雕衍射透镜(DOE)轴向聚焦特性影响,基于瑞利-索末菲衍射理论建立了激光直写制作的连续浮雕衍射透镜非旁轴近似轴向光强分布模型.该模型考虑了连续浮雕衍射透镜的轴向衍射聚焦特性与透镜结构参数、写入光斑尺寸和扫描间距以及深度制作误差的关系,克服了傍轴近似条件下传统模型的不精确性.为验证模型的正确性,用激光直写制作了设计波长为441.6 nm,F数为4以及相位匹配因子为3的连续浮雕衍射透镜,并测试了波长441.6 nm激光入射时透镜的轴向聚焦特性.实验与分析表明,该模型分析结果与实验测试结果符合,从而证实模型的有效性,为激光直写制作的小F数连续浮雕衍射透镜的应用提供了理论依据.     

合成孔径激光成像雷达(Ⅰ):离焦和相位偏置望远镜接收天线

把合成孔径激光成像雷达的目标衍射区分为三个区域,提出采用离焦或者附加空间相位调制板的光学接收望远镜补偿回波像差.当目标处于菲涅耳衍射区时可采用离焦或偏置望远镜补偿回波二次项离焦像差并产生用于孔径合成的二次项相位历程;目标处于夫琅和费衍射区时可以采用离焦或偏置望远镜补偿回波二次项离焦像差但不产生相位历程;目标处于瑞利-索末菲衍射区域时不可能补偿回波高阶像差.