一维会聚非傍轴高斯光束焦线附近的光场特性

傍轴近似常被用于光束传输理论的表达,数值计算常被用于非傍轴光束的传输特性分析。为了使一维会聚非傍轴高斯光束的传输特性更加简明,本文基于倾斜因子由观察方倾斜角余弦平方根表达的非傍轴衍射积分公式,给出了符合行波场辐射能守恒定律的一维会聚非傍轴高斯光束的焦平面光场分布表达,同时给出了焦点附近一维会聚非傍轴高斯光束的轴上点光强和相位特性表达。当一维会聚非傍轴高斯光束的最大倾斜角远大于高斯光束的远场发散角时,合理的观察方倾斜因子可将高斯光束传输特性从傍轴领域延拓到非傍轴领域。本文阐明了一维会聚非傍轴高斯光束的传输特性,并验证了用观察方倾斜角余弦平方根表达观察方倾斜因子的合理性。     

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.     

对激光光束质量一些问题的认识

从对激光光束质量研究进展开始，讨论了在傍轴和非傍轴范畴内激光光束质量的一些问题，主要是非傍轴光束的光束质量评价。光束传输的非傍轴矢量二阶矩理论可用于计算多种非傍轴光束的M2因子，但对M2因子的物理解释却有困难。例如，在非傍轴范畴，M2因子依赖于束腰宽度与波长之比，并可小于1。但远场发散角之值可趋于90°，这将导致很大的M2因子值。另一方面，若将公式中的光强用时间平均坡印廷矢量z分量代替，桶中功率(PIB)，或等价地，?茁 参数可推广用于评价非傍轴光束的远场光束质量。PIB表征了光束功率的可聚焦能力，是一种简明、直观评价不同激光光束的方法。然而，在?茁参数的公式中的束宽是按功率含量百分比定义的，因此双曲线传输规律不再严格成立。     

洛伦兹-高斯光束的传输特性

洛伦兹-高斯光束是用于描述某些发散程度较大的激光光源而引入的,在源平面上的q参数趋向于无穷的条件下,洛伦兹-高斯光束退化为洛伦兹光束.基于柯林斯积分公式,导出了洛伦兹一高斯光束经傍轴abcd光学系统的解析传输公式,进行了相关的数值计箅以揭示其傍轴传输特性.基于矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,导出了矢量洛伦兹-高斯光束非傍轴条件下的解析传输公式,进行了相应的数值计算;作为一般公式的特例,给出了相应的远场表达式和傍轴结果.     

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。     

非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的传输

利用广义瑞利衍射积分公式和部分相干光理论,推导了任意阶非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束在自由空间传输的解析表达式.作为特例,给出了非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的远场公式和傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的传输方程.数值计算和分析表明,f参数对光束的非傍轴特性有重要影响,此外,相干度也影响部分相于修正贝塞尔-高斯光束的非傍轴行为.     

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。     

TE矢量高斯光束的二阶矩传输

运用光束传输的非傍轴矢量矩理论,对TE矢量高斯光束的传输进行了研究,给出了束腰、横向发散角和光 束传输因子的积分表达式。基于能流二阶矩定义的横向光束宽度在传输过程中服从简单的双曲线变化规律。数 值计算表明,在高度非傍轴情形下,由于TE偏振导致两个横向存在不同的光束传输特性,且最大的横向发散度超 过了非傍轴标量高斯光束的发散度极限63.43°,接近于90°,这与波动光学理论相符合,其中x方向上的发散度略 比y方向上的大。而对于傍轴情形,在非傍轴标量高斯光束傍轴化条件下,TE矢量高斯光束的传输可简化为横基 模傍轴标量高斯光束,稍有区别的是其光束传输因子始终保持略大于1,且永远不能精确地等于1。     

非傍轴厄米-正弦-高斯光束的特性

为了研究厄米-正弦-高斯(HSiG)光束在非傍轴情形下受参量影响的特性,基于光强二阶矩理论,经过一系列复杂的数学计算,得出了非傍轴厄米-正弦-高斯光束的远场发散角、束腰宽度以及光束传输因子的解析式,并通过数值模拟,得到了它们与离心参量的关系。结果表明,在束腰宽度与波长比取值逐渐减小时,随着离心参量趋于0,当阶数为奇数和偶数时.发散角分别趋于63.435°和73.898°。束腰宽度和光束传输因子随参量的增加呈现较大的起伏,非傍轴情形下的光束传输因子取值与傍轴情况有很大的不同,其受参量影响不仅可以小于1,甚至趋于0。     

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.     

激光重频对脉冲非稳腔TEA CO2激光远场传输特性的影响分析

为了研究TEA CO2激光重复频率对远场光束特性的影响,首先采用有限元方法计算了不同重复频率下反射镜的温度场和热变形分布,然后采用协方差矩阵法对镜面热变形进行了Zernike拟合,最后结合衍射的角谱传播理论和功率谱反演法分析了不同重频TEA CO2激光经过内光路热畸变作用后的远场光束特性。研究表明:在净吸收能量相同的情况下,随着重复频率的增大,反射镜的温度逐渐升高,热变形量逐渐增大,经过内光路热畸变作用后,远场光束的Sr和平均能量密度Ed逐渐减小,参数逐渐增大,光束质量逐渐变差;对于TEA CO2激光,重频为300 Hz的Ed值仅为10 Hz的40%,远场光束的峰值光强下降了43%,光斑展宽了近60%。文中的研究结果为TEA CO2激光发射系统的优化设计提供可靠的依据。     

部分相干光束经刀边衍射产生的光谱变化

从部分相干光束的传输定律出发，得到了部分相干光束刀边衍射时的远场光谱的表达式．根据该表达式对衍射场中的光谱进行了理论研究。研究的结果表明：衍射场中的光谱将随着观察点位置而改变，并且对于固定观察点，其光谱将随着相对空间相干度以及光束透过率的变化而变化。     

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。     

Characteristic Analysis of Diffraction from Restricted Output End Surface of Multiple Quantum Wells Planar Waveguide

Based on Rayleigh-Sommerfeld scalar diffraction formula, analyzed is the diffraction field distribution of the restricted output end surface of multiple quantum wells planar waveguide by slit. Obtained is its analytical expression of field distribution, which permits accurate and effective study on the characteristic of diffraction field from the restricted output end surface of the waveguide by slit. Then, the variation curve of the beam propagation factor M2 versus the slit width is computed by the second moment method. It is useful for understanding the restricted diffraction properties of the multiple quantum wells planar waveguide. When the slit half width is bigger than the core layer＇s half width, the beam propagation factor M2 value tends to a constant 1. 108. Therefore, the corresponding field amplitude distribution is approximated by Gaussian function, and the far field divergence half angle（θ0,G=0. 091 8） is calculated by matching efficiency method.     

波导HCN激光器输出的EH_(11)模在自由空间中的传播

本文讨论了波导HCN激光器输出的EH_(11)模在自由空间中的传播模式,并与理论进行了比较。在近场,光强的分布明显受到激光器结构上不对称性的影响,其某些特征与Degnan的计算相符;在远场,EH_(11)模的传播近似于高斯光束。因此,对远场激光传播特性的测量是光学系统光路设计的基础。     

矢量衍射理论的比较研究及标量近似的有效性

光束束腰与波长相比拟时,标量近似已不再成立.以高斯光束的微小圆孔衍射为例,对矢量衍射场的级数解、非傍轴近似解以及精确解进行了详细的数值计算和比较研究.结果表明,对受硬边光阑限制的非傍轴光束,级数展开法适用于处理光束在近场区域的传播,而非傍轴近似解则适用于处理非近场区域光束的传播,具有一定的互补性.讨论了高斯光束圆孔衍射标量近似的有效性,当高斯光束的束腰半径、衍射孔孔径大于几个光波波长时,标量衍射理论是精确、有效的.     

高斯光束的光谱传输特性分析

为了研究光束的光谱传输特性,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了高斯光束光谱经自由空间和湍流大气传输的表达式,并以中心频率为1.78×1015rad/s、谱宽为8.39×1013rad/s的高斯光束为例进行了数值分析。结果表明,高斯光束传输过程中,z轴附近光谱存在少量蓝移,离轴距离增大到约为0.5w(z)时,光谱由蓝移变为红移,湍流效应对离轴较远点的谱移现象有比较明显的抑制作用,而增大源光谱的带宽,则会使谱移现象更显著;计算1.78×1015rad/s和1.75×1015rad/s两束单色光传输5000m时传输截面上的光强分布发现,对于某个横向位置,源光谱中心频率激光的强度会比某个其它频率激光的强度小,产生传输截面上的谱移现象,谱移现象随各参量的变化规律可由高斯光束的束腰变化规律和湍流效应对光束的展宽效应进行解释。     

液晶空间光调制器用于光束偏转控制的衍射效应

液晶空间光调制器(LC-SLM)能实现光束动态偏转,而它的像素结构以及相位回卷方法造成的衍射效应使其光效率降低.通过数值仿真和实验分析了像素结构造成的衍射效应,给出了像素填充因子和衍射效率的关系.利用256 pixel×256 pixel的液晶空间光调制器构建动态光束偏转实验装置,使入射光束偏转不同角度时测量远场光斑强度,得到衍射效率随光束偏转角的变化关系.理论分析与实验结果表明,填充比越小,像素结构造成的衍射效应越强,衍射效率降低;当填充比为0.85时衍射效率的测量值仅为51.3%.相位回卷方法使液晶空间光调制器形成类似闪耀光栅结构,随着光束偏转角度的增大,衍射效率降低.