非傍轴部分相干平顶高斯光束的传输性质

研究了非傍轴部分相干平顶高斯光束在自由空间的传输,根据交叉谱密度函数得到了该光束的光强分布和相干度的解析表达式.与其傍轴传输相比,光束参数f和模阶数N共同决定了部分相干平顶高斯光束的非傍轴特性,且对光束的相干性有重要影响.当模阶数一定时,f参数小于某一确定的值,傍轴近似才有效,当模阶数N增大,即使f参数较小,非傍轴效应也变得非常明显,通过数值计算,给出了不同模阶数情况下傍轴近似有效所对应的f参数的上限值.结果表明:要使傍轴近似有效,随着模阶数的增大,f参数对应的上限值应变小.     

部分相干平顶光束的M2因子、模分解及合成

推导出以模式间相互独立的厄米高斯光束为基底的部分相干平顶光束的模系数和M2因子的解析式,对部分相干平顶光束的模分解及合成进行了研究.研究结果表明,随着光束阶数M及表征光束相干性的参数w0/ν0的增加,基模的份额减小,M2因子增大.采用模式间相互独立的厄米高斯光束叠加的方法合成部分相干平顶光束的光强矩形分布与光束M2因子二者无法同时兼顾,即若要求空间分布非常接近矩形,则光束的M2因子较大,若要求光束的M2因子较小,则只能降低对光强矩形分布的要求.在实际工作中,可以通过选择恰当的基底基模高斯光束的束腰尺寸以及控制各模式的光功率,由模式间相互独立的厄米高斯光束合成部分相干平顶光束.     

部分相干平顶高斯光束的传输特性

本文采用Huygens-Fresnel衍射积分公式导出了部分相干平顶高斯光束（PCFGB）经过ABCD光学系统传输公式;进一步导出了采用二阶矩定义的等效束宽和Kurtosis因子的传输公式;利用导出的公式计算了PCFGB在自由空间中的传输特性,并和相干平顶高斯光束（FGB）的传输特性作了比较分析。结果表明,PCFGB在传输过程中其光强分布的平顶部分不会消退,而且它的平顶化程度越来越,但其束宽迅速增大。     

高阶平顶高斯光束阵列在自由空间中的相干合成

高阶平顶高斯光束在自由空间传输过程中,光强分布经历了三种状态:平顶高斯分布,平顶高斯中心凹陷分布,高斯型分布.通过对前两种状态相干合成光强分布特点进行模拟,研究了光束阵列结构、种子光束阶数、传输距离等因素对相干合成的影响,并用桶中功率对相干合成的光束质量进行了评价.结果表明:两种状态下相干合成都可以变为高斯光束,不过中心光强和光束半径的变化趋势不同.在一定条件下,阵列环上光束数量越多,相干合成光束的效果越好.     

部分相干平顶光束在大气湍流中空间相干性研究

采用Rytov相位结构函数二次近似的方法和广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出了部分相干平顶光束通过大气湍流传输的空间相干度公式,研究了湍流对光束空间相干特性的影响.研究表明:部分相干平顶光束的空间相干性由大气湍流折射率结构常数、光束的相对空间相关长度、平顶光束的阶数、传输距离和观察点位置坐标等因素共同确定.部分相干平顶光束通过湍流大气传输时,其空间相干度会出现振荡和相位奇异现象,但随着湍流的增强,振荡减弱,直至振荡和相位奇异现象消失.     

部分相干光束的光束整形

从理论上研究部分相干光束经透镜的聚焦.研究结果表明,在几何焦平面的光强分布不仅依赖于入射部分相干光束的光强分布,而且还依赖于入射光束的空间相干度.据此,提出了一种控制部分相干光束的空间相干度,在几何焦平面获得平顶部分相干光强分布的新方法.     

双曲余弦-高斯光束的相干模分解

利用傅里叶变换和正交模系展开法,推导出了双曲余弦—晶斯光束的M2因子和归一化模系数的解析表达式,从而建立了双曲余弦-高斯光束的相干模分解理论。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。     

弱湍流大气中部分相干涡旋光束的轨道角动量特性

根据轨道角动量谱理论,推导了部分相干拉盖尔-高斯光束轨道角动量态的功率表达式。分析了相干长度、束宽对轨道角动量的影响,讨论了弱湍流大气中部分相干-拉盖尔高斯光束轨道角动量特性。结果表明:部分相干拉盖尔-高斯光束在相干长度与束腰半径比值固定的情况下,其初始轨道角动量态相对功率不会随着束腰半径的改变而变化。在部分相干拉盖尔-高斯光束初始相干长度与束腰半径取值大小相同的情况下,随着束腰半径的增大,光束在弱湍流大气中传输1 km处的初始轨道角动量态相对功率减小。     

湍流大气中J0相关部分相干平顶光束的传输特性

为了研究相干度为零阶贝塞耳函数的部分相干平顶光束的传输特性,采用广义惠更斯-菲涅耳公式得到了J0相关部分相干平顶光束通过湍流大气的平均光强分布,并利用空间2阶矩法得到了均方根束宽的解析表达式;分析了传输距离、相干长度、大气折射率结构常数、阶数对光强分布特性和光束扩展的影响。结果表明,J0部分相干平顶光束的阶数越高,相干长度越小,光束受湍流的影响就越小;改变光源的相干度可以使光束在湍流大气中的中心光强达到最大。     

部分相干平顶光束在非Kolmogorov大气湍流中湍流距离的变化

为了说明部分相干平顶(PCFT)光束在非Kolmogorov(非K)大气湍流中湍流距离的变化,基于广义惠更斯-菲涅耳原理和利用相对M2因子定义的湍流距离,推导出部分相干平顶光束在非K大气湍流中传输的湍流距离的解析表达式。部分相干平顶光束在非K大气湍流中的湍流距离由非K大气湍流参数即广义指数参数、湍流内外尺度和部分相干平顶光束在z=0处的初始二阶矩即光束参数(包含光束阶数、波长、相干度以及束腰宽度)决定。研究结果表明,PCFT光束在非K大气湍流中的湍流距离随广义指数参数的增加先减小达到最小值后再增大,随部分相干平顶光束的阶数和波长的增加而增大,随光束相干性的减弱而增大,随光束束腰宽度的增加做先减小后增大的非单调变化。     

定向棱镜腔平顶高斯激光束特性的研究

在XeCl准分子激光器中,采用定向棱镜作为端反射镜与平面输出镜构成激光器谐振腔,获得了近场能量分布均匀、远场能量分布高度集中的相干平顶高斯激光束输出,并具有腔镜高抗失调能力,改善了激光束质量。     

Modal analysis of partially coherent submillimeter-wavequasi-optical systems

We consider the modal analysis of partially coherent submillimeter-wave quasi-optical systems. According to our scheme the cross-spectral density at a plane is expanded as a sum of partially coherent propagating free-space modes. The coherence matrix, the elements of which are determined by evaluating bimodal overlap integrals, completely describes the state of the field at a plane. The coherence matrix can be traced through an optical system to another plane by means of a scattering matrix. Whereas diagonalizing the scattering matrix gives the natural modes of the optical system, diagonalizing the coherence matrix gives the natural modes of the field. We demonstrate the technique by studying the behavior of Gaussian beam telescopes when the field at the source plane is completely incoherent     

Dyadic analysis of partially coherent submillimeter-wave antennasystems

We describe a procedure for simulating the behavior of partially coherent submillimeter-wave antenna systems. The procedure is based on the principle that the second-order statistical properties of any partially coherent vector field can be decomposed into a sum of fully coherent, but completely uncorrelated, natural modes. Any of the standard electromagnetic analysis techniques-physical optics, geometrical theory of diffraction, etc.-can be used to propagate and scatter the modes individually, and the statistical properties of the total transformed field reconstructed at the output surface by means of superposition. In the case of modal optics-plane waves, Gaussian optics, waveguide mode matching, etc.-the properties of the field can be traced directly by means of scattering matrices. The overall procedure is of considerable value for calculating the behavior of astronomical instruments comprising planar and waveguide multimode bolometers, submillimeter-wave optical components, and large reflecting antennas     

高阶双曲余弦高斯光束的传输性质

引入了高阶双曲余弦高斯光束,结果表明这类光束在一定参数条件下呈现平顶光束特征。这类光束可用偏心高斯光束或双曲余弦高斯光束的相干叠加而得到,因而也是傍轴波动方程的解,并讨论了它们在一阶光学系统中的传播性质。     

光纤激光及其相干合成光场的准确分析

为了准确地研究光纤激光及其相干合成光束的远场传输特性,采用将LP01模分解为许多不同拉盖尔-高斯模叠加的方法,分析了LP01模以及多个光纤激光相干合成光束的传输光场分布和光束质量,并与用高斯函数表示的光纤激光的光场进行了比较.分析中发现,基模高斯光束与LP01模的初始场分布基本相同,但传输后的光场分布会产生较大误差,在光纤激光相干合成光场的分析中两者间的差别也非常明显.结果表明,为更准确地分析光纤激光及其相干合成光束的传输特性,光纤激光的模场表达式应采用拉盖尔-高斯模的叠加式.     

部分相干光束的聚焦特性

基于部分相干光的传输方程,研究了光强为高斯分布、空间相干度函数为零阶贝塞耳函数的部分相干光束的聚焦特性。研究结果表明,在几何焦点附近的光强分布不仅依赖于入射的部分相干光束的光强分布,而且还依赖于部分相干光束的空间相干度。当空间相干长度、焦距等参数取某些特定值时几何焦点附近的光强分布将出现平顶光束的分布形式;另外,当空间相干长度取值改变时几何焦点附近的光强分布将出现局域空心光束的分布形式。基于此,可以通过改变部分相干光束的空间相干度来实现对几何焦点附近光强分布的控制,从而获得需要的光强分布。     

部分相干电磁光束在湍流介质中传输的光谱变化

从推广的惠更斯-菲涅尔原理出发,推导出了部分相干电磁光束的光谱在湍流介质中传输的表达式,并以电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束为例,研究了湍流对电磁高斯-谢尔模型光束光谱的影响.研究结果表明,在湍流介质中传输的部分相干电磁光束的光谱会随着折射率结构常数、空间相干长度、光斑大小的改变而变化.     

PCFT光束阵列在海洋湍流中的传输特性

为了研究部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输特性,基于拓展惠更斯-菲涅耳原理和魏格纳分布函数,结合海洋湍流的空间功率谱函数,理论推导了部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输因子、有效曲率半径、瑞利尺寸的解析表达式,数值计算并讨论了它们与光束的相干长度、海水温度与盐度变化、动能耗散率、温度方差耗散率等参量的关系.结果表明,在相同条件下,当传输距离超过400m时,相对于部分相干高斯光束、部分相干平顶光束和部分相干高斯光束阵列,部分相干平顶光束阵列受海洋湍流的影响更小,传输特性更为稳定.此结果对选择合适的光束在海洋湍流传输方面具有一定的参考价值.     

部分相干平顶高斯光束通过透镜的聚焦特性

利用惠更斯-菲涅尔衍射积分公式导出了部分相干平顶高斯光束(PCFGB)经过ABCD光学系统的传输公式.进一步导出了PCFGB经透镜聚焦后的任意z处、焦面处、聚焦场轴上的光强分布公式和等效束宽传输公式,并进行数值计算及分析.研究结果表明,PCFGB经透镜聚焦后的传输过程中,光强分布的平顶部分不会消退,并随着阶数N增加和菲涅耳数Nw减小,等效束宽增大,平顶化程度越好;任意z截平面处的光强和焦移量与阶数N无关,但随Nw的增加,其光强成倍增大、焦移量却减小.