湍流大气中聚焦高斯光束焦移的数值模拟分析

湍流大气不仅使在其中传输的聚焦高斯光束的束腰处光斑发生扩展,也使光束的束腰位置发生移动。采用不均匀分布相屏的傅立叶变换法数值模拟了湍流对聚焦高斯光束束腰位置的影响,发现在湍流大气中传输的聚焦光束不再聚焦在真空传输的焦点处,焦点的移动与湍流强度和初始光束半径有关。数值模拟结果表明:聚焦高斯束在均匀湍流强度的水平路径传输上传输时,湍流将导致光束的焦点向发射点移动,而且焦移的幅度随着湍流强度的增大而增大;在同等强度湍流大气中传输的聚焦高斯光束,其焦点前移的幅度将随着光束半径的增大而减小。     

湍流大气中聚焦高斯光束焦移的数值模拟分析

湍流大气不仅使在其中传输的聚焦高斯光束的束腰处光斑发生扩展,也使光束的束腰位置发生移动。采用不均匀分布相屏的傅立叶变换法数值模拟了湍流对聚焦高斯光束束腰位置的影响,发现在湍流大气中传输的聚焦光束不再聚焦在真空传输的焦点处,焦点的移动与湍流强度和初始光束半径有关。数值模拟结果表明：聚焦高斯在均匀湍流强度的水平路径传输上传输时,湍流将导致光束的焦点向发射点移动,而且焦移的幅度随着湍流强度的增大而增大;在同等强度湍流大气中传输的聚焦高斯光束,其焦点前移的幅度将随着光束半径的增大而减小。     

四象限探测器位置检测精度的主要影响因素研究

为了提高四象限探测器(QD)光斑位置检测性能,研究了在高斯光斑模型下影响QD位置检测精度的主要因素。分析了四象限探测器位置检测的基本原理,随后根据误差理论推导出高斯光斑模型下位置检测精度与光斑半径、质心位置和系统信噪比关系的数学模型,通过数值仿真和实验分析验证了该数学模型的有效性,并深入分析了各因素对位置检测精度影响的趋势及大小。研究结果表明,对于四象限探测器高斯光斑位置检测系统,在保证检测范围的条件下,采用较小半径的光斑、选取靠近光敏面中心的工作区域和提高系统信噪比可以提高位置检测精度。当系统信噪比为57.48 d B时,采用束腰半径为0.6 mm的高斯光斑,QD中心点位置检测精度可达0.514μm。     

PSD安装倾斜误差对光斑定位影响的研究

针对入射光能量为高斯分布时,位置敏感探测器(PSD)安装倾斜影响光斑定位的问题,建立了光斑定位畸变误差数学模型,并进行了仿真。仿真结果表明,光斑定位畸变误差随着PSD倾斜角度、高斯光束的束腰半径和与光束束腰之间的距离的增加而增加,其中前两项的变化对PSD光斑定位精度的影响在小范围内可以忽略,最后一项影响较大。所建立的光斑定位畸变误差模型及仿真结果为PSD的实际工程应用提供了有效的理论依据。     

靶面激光光斑尺寸原位测量的研究

提供了一种简便易行的靶面激光光斑尺寸原位测量的方法。从高斯光束的横向光强分布特性出发,建立了激光烧蚀斑半径与辐照激光能量、光斑尺寸、烧蚀阈值间的关系式,模拟分析发现辐照激光光斑尺寸对烧蚀斑半径随辐照能量变化曲线有较大影响。对于脉宽为2 ms,波长为1064 nm的激光,实验测量了不同能量激光辐照下相纸烧蚀斑半径,并用推导出的关系式拟合测量数据,获得了靶面处光斑尺寸和样品烧蚀阈值。同时,也测量了不同位置处的光斑尺寸和样品烧蚀阈值,对高斯光束束腰位置和样品烧蚀阈值的光斑尺寸效应进行了验证。研究结果表明该技术结果可靠,简单高效。该技术可以为高能激光与固体物质相互作用的基础研究和激光加工等应用领域中实现简单方便地测量靶面光斑尺寸提供帮助。     

光阱阱位的观察与调节

分析了用于形成光阱的激光束腰与显微镜耦合时的成像规律，根据镜面反射原理，提出了用玻片来观察激光束腰，判断光阱的位置，并测量阱位相对物平面的偏离量的方法；进一步运用高斯光束的透镜变换理论，通过改变入射激光的束腰位置，在实验上实现了光阱阱位的精细调节。     

刀口法测量高斯光束光斑半径研究

根据高斯光束光强分布公式,讨论了P（x）%/（1-P（x)%)为任意值时,高斯光束光斑半径与刀口-光斑中心距比值及相应的光斑半径的测量误差;根据理论分析结果,在P(x)%为不同值条件下,对基模高斯光束光斑半径进行了实验测量,实验结果与理论分析符合较好。     

双曲余弦高斯光束在梯度折射率介质中的束腰宽度及其位置

为了研究梯度折射率介质中双曲余弦高斯光束的束腰及其位置,推导出了双曲余弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输场,并运用空间二阶矩的定义解出了光斑尺寸、束腰宽度及位置的表达式,讨论了梯度折射率介质对双曲余弦高斯光束的光斑尺寸、束腰宽度及位置的影响。研究结果表明:梯度折射率介质中光斑尺寸随传输距离的增加出现了周期性变化,周期由折射率系数决定;随偏心参数的增大,束腰宽度先逐渐减小再逐渐增大后趋于稳定;并且发现偏心参数决定光斑尺寸振荡幅度。     

功率谱微分法在实时联合变换相关器中的应用

联合变换相关器在功率谱中产生的目标图像和参考图像的自相关重叠显示于输出面的中心,形成很强的直流光斑,易使CCD探测器饱和,从而影响了对相关峰的识别。通过采用功率谱微分法,配合二值化处理,可消除相关输出中的直流亮斑,锐化了相关峰,从而大大提高了目标识别的准确性,降低了误判的发生。     

PSD安装倾斜误差对光斑定位的影响

针对入射光能量为高斯分布时,位敏探测器(PSD)安装倾斜影响光斑定位的问题,建立了光斑定位畸变误差数学模型,并进行了仿真.仿真结果表明,光斑定位畸变误差随着PSD倾斜角度、高斯光束的束腰半径和与光束束腰之间的距离的增加而增加,其中前两项的变化对PSD光斑定位精度的影响在小范围内可以忽略,最后一项影响较大.所建立的光斑定位畸变误差模型及仿真结果为PSD的实际工程应用提供了有效的理论依据.     

高斯波束对水中柱形粒子的声辐射力研究

根据级数展开理论,将入射高斯波束用柱函数展开,计算得到高斯波束的波束因子。根据声波辐射力理论,推导了水中位于高斯波束中心的柱形粒子在声场中的辐射力的解析表示式,对不同材料的柱形粒子在高斯波束作用下的声辐射力进行了数值模拟,讨论了高斯波束的束腰半径的变化对柱形物体所受声波辐射力的影响。仿真结果表明,高斯波束的束腰半径对声辐射力有影响,随着束腰半径的增大,位于波束中心的柱形粒子所受的声辐射力逐渐变大,当束腰半径远大于声波在水中的波长时,声辐射力的大小接近平面波声场的声辐射力。     

高斯光束整形非球面透镜的粒子群优化设计方法

提出了一种设计激光光束整形系统的新方法粒子群优化算法。根据能量守恒定律,推导出光束整形系统中任意光线与入射面和出射面交点坐标之间的变换关系,并把用此变换关系得到的光线与出射面的交点坐标作为目标值。把追迹光线在输出面上的交点坐标与目标值差的绝对值作为光束整形系统的能量分布变换评价函数,把出射光线方向矢量的y分量绝对值作为准直评价函数,并将能量分布变换评价函数与准直评价函数的和作为光束整形变换系统的总评价函数,依此函数作为粒子群算法中的适应度函数,对适应度函数进行极小值操作,便可得到了一个既能把光强高斯分布转换为光强均匀分布,又能近似实现光束重新准直的非球面整形透镜系统。用这种方法设计了一个单非球面凹平透镜,可以把光强高斯分布、光斑半径30 mm的红光激光光束整形为光强均匀分布、光斑半径为36 mm的平顶光束,且准直出射。证明这种设计方法简单有效。     

96GHz边廊模Denisov辐射器

介绍了采用Denisov辐射器将96 GHz边廊模式信号转换为高斯波束的设计、仿真及测试结果.基于耦合波理论给出Denisov辐射器的设计方法.根据96 GHz TE_(6,2)模式Denisov准光模式转换器结构布局的要求,优化得到Denisov辐射器,输入半径6.4 mm,长52 mm,辐射器切割边缘电流幅值为汇聚中心点的10%,输出准高斯能量转换效率达96.51%.由其组成的准光模式转换器冷测输出高斯波束束腰直径22.4 mm,矢量转换效率大于95%.     

平面近场测试高斯波束束腰半径的方法

高斯波束理论广泛应用于准光学、毫米波领域,束腰半径作为高斯波束最重要的参数,在工程应用中具有重要价值,有必要对其进行精确测量。提出了一种基于平面近场测试高斯波束束腰半径的方法,对准光学、毫米波装置的出射波束进行平面近场测试,根据采集的近场数据,反演远场方向图计算出束腰半径大小。进一步对近场电场数据进行高斯函数拟合及后处理,并利用高斯波束传输理论计算出束腰半径位置。本方法完全借用平面近场测试条件,通用性好,特别是解决了大口径装置束腰半径难以测试的难题。     

光波在含特异材料的环形腔内的传输特性

基于光线传输矩阵理论,研究了含特异材料环形腔内光波光斑半径和相对光强的分布特性.结果表明:以负折射率材料内部作为起始位置,光波传输一周后,子午面和弧矢面光斑半径均较大,中心光强较弱.当光波离开负材料后,光斑半径迅速减小,由于凹面镜的影响,在其表面又达到极大值,但较负材料内部光斑半径小很多.当光波传输起始点远离凹面镜后,光斑半径依次减小,在两平面镜中心达到最小值,此时中心光强最大.在此基础上,分析了负材料长度和介质折射率对光波束腰半径的影响.研究发现,介质长度对环形腔内子午面和弧矢面的束腰半径影响较小,但介质折射率对负材料内部束腰半径的影响较大.     

直边衍射激光驻波场中铬原子的沉积特性研究

为了研究沉积基片对激光驻波场的影响,基于半经典理论,采用4阶龙格-库塔算法对直边衍射效应影响下铬原子的3维运动轨迹和3维沉积条纹结构进行了仿真。研究了激光束腰中心到反射镜的距离、高斯激光束腰半径对最终沉积过程的影响。结果表明,通过适当地调节实验参量,可以改变激光驻波场受到衍射效应的程度;当反射镜位于激光束腰截面处、高斯激光束腰半径为62.5μm时,纳米沉积条纹的质量最理想。这将为原子光刻实验提供有益的理论依据和数据信息。     

反常涡旋光束锥形折射特性分析

为了分析反常涡旋光束的锥形折射,利用锥形折射衍射理论,给出了反常涡旋光束通过双轴晶体光场的表达式。通过数值模拟,分析了锥形折射的环半径和光束束腰半径的比值、光束阶数、拓扑荷数和传播距离等参数对传输特性的影响。结果表明:当锥形折射的环半径远大于光束束腰半径时,在焦像面处,反常涡旋光束的锥形折射光场与高斯光束的双环结构不同,其光场是多环结构;随着拓扑荷数的增加,在焦像面处的亮环数也会增加;光场进一步传输时,光场从多环结构转换成双环结构,且内外环结构特征也会发生变化。     

基于噪音谱分析的新型指数空间匹配滤波器设计

光学相关识别过程中,为减小输入场景中背景噪音对输出相关点的影响,通过分析背景噪音和目标图像的傅里叶谱,在匹配滤波函数中引入一由背景噪音傅里叶谱确定的指数函数,通过指数函数对匹配滤波函数振幅进行非线性调制,使设计的指数型空间匹配滤波器对背景噪音谱透过率小于目标图像谱透过率,从而增加输出相关平面上的信噪比,以实现相关点的正确探测。模拟结果表明当参量m由0增加到1.2时,相关峰值下降2.28倍,信噪比增加3倍。模拟和实验结果均表明:与纯相位匹配滤波器相比其抗噪能力得到明显改善。     

高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响

实验研究了输出镜为不同参数高斯镜时,偏心对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响及激光器的输出特性。仅当光轴与激光晶体中心轴、Q开关中心轴一致,且经过高斯镜反射率中心时,可同时实现最大能量、最窄脉冲宽度和最小发散角输出。存在偏心时,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越大,则能量下降越多,脉冲宽度和发散角增大越大。对于反射率半径为2.5 mm和中心反射率为30%的高斯输出镜,偏心0.5 mm时,能量降低7%,脉冲宽度增宽33%,发散角增大20%。激光性能方面,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越小,光束质量越好,但效率低。综合考虑偏心影响和激光性能,反射率半径为2.75 mm和中心反射率为20%的高斯镜作为输出镜最佳。泵浦能量为984 mJ时,获得了能量128 mJ,脉冲宽度7.3 ns,光束质量M2因子约4.6的1064 nm激光输出,对应光光转换效率为13%。实验结果为激光器设计和装调提供了参考。     

Generation of millimeter wave Gaussian beams and their propagation in a dielectric waveguide

Linearly polarized fundamental mode Gaussian beams were generated and coupled to a hollow circular oversized dielectric waveguide by placing the waist of the beam at the guide entrance. The transmission properties of the waveguide were characterized as a function of frequency for a variety of coupling conditions. These conditions included changes in the input beam waist radius, angle of incidence, and displacement perpendicular and parallel to the guide axis. It has been found that: 1.) power transmission is maximized when the waist of the input beam is centered at the guide input, injected normally, and has a radius of 0.43 times the waveguide radius, 2.) power transmission decreases rapidly with increasing angle of incidence and the rate of that loss increases with frequency, 3.) the waveguide preserves the linear polarization of the input beam, 4.) power transmission in the fundamental waveguide mode is not greatly affected by moderate displacements in the input beam position, and 5.) upon exit from the waveguide the launched EH₁₁ mode propagates as a fundamental mode Gaussian beam in the quasi-far field. The results compare favorably to the transmission theory of Belland and Crenn and approximately to the near and far field mode pattern theory of Degnan.