艾里-高斯光束在高斯型PT对称介质中的传输与控制

以非线性薛定谔方程为理论模型，研究了艾里-高斯光束在高斯型PT(Parity-time)对称介质中的传输与控制。详细分析了高斯型PT对称介质的特征参数(调制深度P、调制因子ω、增益/损耗系数W₀)和艾里-高斯光束的特征参数(截断系数a、分布因子χ₀)对艾里-高斯光束的传输特性的影响。结果表明：在高斯型PT对称介质中，艾里-高斯光束可以形成振荡孤子，且可稳定传输。孤子的峰值强度随P、W₀、a的增大而增大，随ω的增大而减小；振荡周期随P和ω的增大而减小，随W₀的增大而增大。当χ₀增大时，在0<χ₀<0.55范围内，孤子的峰值强度变化不明显；当χ₀>0.55时，孤子的峰值强度迅速减小。该研究结果可为孤子在复杂非均匀介质中的传输及全光控制方面的应用提供理论基础。     

艾里涡旋光束在大气湍流中的漂移特性研究

采用多层相位屏法模拟了艾里涡旋光束在大气湍流中的漂移特性。讨论了拓扑电荷p、涡旋核相对于光束中心的离轴距离x_d,y_d和湍流强度C2n对艾里涡旋光束在不同传输距离处的漂移特性的影响。研究发现,在相同传输距离处,漂移量随着C2n的增大而增大。在传输距离比较小时,p和x_d,y_d对漂移的影响比较弱,漂移量几乎相等。当传输距离比较大时,漂移量随p的增大而减小,随x_d,y_d的增大而增大。此外比较了单束艾里涡旋光束的漂移量和阵列艾里涡旋光束的漂移量,研究发现,阵列艾里涡旋光束的漂移量比较小。     

衰减因子和横向尺度对Airy光束三大特性的影响

Airy光束是一种特殊的无衍射光束,不仅具有自恢复和无衍射性质,还具有其他无衍射光束不具备的自弯曲性质。研究了Airy光束的无衍射、自弯曲和自恢复的演化过程,讨论了不同衰减因子a和横向尺度x0对Airy光束三大特性的影响。研究结果表明:当横向尺度x0不变时,Airy光束的无衍射传播距离随着衰减因子a的增大而减小,衰减因子a对自弯曲没有任何影响,自恢复痊愈距离随着衰减因子a增大而减小。当衰减因子a不变时,无衍射传输距离、自弯曲的偏移量、自恢复痊愈距离都随着横向尺度x0的增大而增大。通过对比横向尺度x0和衰减因子a对Airy光束三大特性的影响,研究发现衰减因子a相比横向尺度x0对Airy光束三大特性的影响较小。     

径向阵列艾里涡旋光在倾斜大气湍流中的漂移特性北大核心CSCD

采用等Rytov指数间隔多相位屏法来模拟径向阵列艾里涡旋光束(RAAVB)沿倾斜路径通过大气湍流时的光斑质心漂移。对比并分析了拓扑荷、天顶角、湍流外尺度和涡旋离轴距离对光束漂移的影响。结果表明:光束在倾斜大气湍流中传播时,相同条件下,CAAVB的漂移现象比阵列艾里光束受湍流影响更小;相比于天顶角和湍流外尺度,拓扑荷对光束漂移现象影响更大,光束漂移随拓扑荷的增大而减小,随天顶角和湍流外尺度的增大而增大;离轴型RAAVB的漂移现象比轴上型更严重,且漂移随着涡旋离轴距离的增大而增大。     

实验模拟环形艾里光束在大气扰动中的光束漂移

采用多层相位屏法和分步傅里叶算法相结合的方式来模拟环形艾里光束在湍流大气中传输时光斑质心漂移。通过理论和实验仿真了环形艾里光束在湍流中的传输。通过比较,证实了环形艾里光束在湍流中传输时扰动漂移量小于艾里光束和高斯光束。因此,利用环形艾里光束作为信息载体在远距离传输时具有很大的应用潜力。     

高斯-谢尔模型阵列光束在湍流大气中的空间相干性

基于广义Huygens-Fresnel 原理和Rytov 相位结构函数二次近似的方法,推导出了径向分布高斯-谢尔模(GSM)阵列光束在湍流大气中传输时的交叉谱密度函数解析表达式,并利用表征光束相干性的空间复相干度系数,详细分析了GSM 阵列光束在大气湍流中传输时的空间相干性变化规律。研究结果表明:径向分布GSM 阵列光束的空间相干性由子光束空间相干长度、传输距离、大气折射率结构常数及相对径向填充因子等因素共同确定;径向分布GSM 阵列光束通过湍流大气时,其空间相干度在传输过程中会出现多峰值现象,但是随着传输距离增大,多峰值现象逐渐消失并趋向于高斯分布,并且随着距离增大空间相干度宽度逐渐减小,光束空间相干性变差。     

含负折射率平板介质中艾里高斯光束的传输特性

基于光学传输矩阵,结合柯林斯光学衍射公式,研究了艾里高斯光束在无损和有损含负折射率平板介质中传输时,其侧面光强分布图景演化特征。结果表明,当右手材料和双负材料折射率值恰好相反,并且左、右两侧右手单元长度之和等于双负单元长度时,可以实现输出面光强的完美还原;当双负材料折射率绝对值增大时,实现光强还原所需中间双负单元长度也越长,反之,绝对值减小时,长度越短;对于有损介质,电、磁振荡因子越小,输出光波性能越良好。进一步探究了ζ因子和指数截断因子a对这类光波传输特性的影响,其中,ζ因子不会影响艾里高斯光束的固有性质,但ζ越小,自弯曲特性越明显,并且主、旁瓣的径向尺寸都随ζ的减小而成倍减小;a因子可以调控光波的传输轮廓,使其在a<0.2时为艾里光束,而当a逐渐增大到0.7时,光波的外形轮廓已和高斯光束无异。     

非均匀偏振光束在海洋湍流中的光强特性

为了研究非均匀偏振光束在海洋湍流中的光强特性，采用广义的惠更斯-菲涅耳原理，得到非均匀偏振光束经过海洋湍流传输后的光强分布, 并对非均匀偏振光束在海水中传播的传输特性进行了研究。结果表明，非均匀偏振光束的参量n和K越大，其光强分布偏离高斯分布越明显，但随着传输距离的增大，海洋湍流对光束的影响也增大，光强分布又回到高斯分布；随着均方温度耗散率χ_T或温度与盐度波动的相对强度w的增大，或者单位质量液体中的湍流动能的耗散率ε的减小，非均匀偏振光束的光强分布就会更趋于高斯分布。该研究结果在海洋光通信以及成像方面存在潜在的应用价值。     

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。     

振幅调制平顶光束在靶腔内的光强分布特性

推导出了平顶高斯光束经有限个小尺寸振幅调制型缺陷调制聚焦后,激光间接驱动聚变靶腔内及腔壁的光场分布解析式,详细研究了缺陷尺寸和调制幅度等因素对光强分布的影响,并进一步研究了入射角度对调制光束在腔壁上投影衍射光场的影响。结果表明：缺陷尺寸越大,缺陷调制幅度越大,光束受到的扰动越明显,调制光场恢复为平顶高斯分布所需的传输距离越远;当光束的入射角小于10°时,光束到达腔壁前经过的路径较长,调制后的平顶高斯光束在腔壁上投影的光斑往x轴方向扩散,缺陷引起的光强扰动变化明显减弱,光斑强度整体下降。     

相位屏法研究平顶高斯光束的大气传输特性

由于理论研究和实验研究的局限性,用随机相位屏描述湍流大气对激光束的影响,模拟了平顶高斯光束经湍流大气传输时的远场光斑,并进行了统计分析。结果表明,平顶高斯光束经弱湍流大气传输时,短曝光光斑由中心小暗斑和外侧不规则的亮斑组成,湍流增强使光斑破碎,光强分布杂乱无章;对长曝光光斑而言,弱湍流情况下,光斑形状规则,光强分布存在中心凹陷现象,湍流增强使光斑变为椭圆,但光强变为近似成高斯分布。对于本文的参数值,湍流强度为C2n=10-16m-2/3时,光斑质心沿x和y方向分别在[-7.5 mm,7.5 mm]和[-10 mm,10 mm]随机变化,湍流增强使质心漂移标准差变大,同一湍流情况下,平顶高斯光束质心漂移的标准差要比高斯光束小。     

强激光稳态热晕效应的数值模拟研究

为了研究强激光在大气传输过程中产生的热晕效应,采用数值模拟的方法,对无风时稳态热晕效应的影响参数进行了求解,探讨了无风稳态热晕效应对轴上光强以及远场能量分布的影响。结果表明,无风稳态热晕效应存在时,随发射功率的增大,一定传输距离截面上的峰值功率密度先增大后减小;截面上的峰值光强随基模高斯光束的腰斑半径的增大而增大;随着传输距离的增大,截面上峰值光强在逐渐减小,能量在逐渐向周围扩展;在一定条件下,截面上的光强分布会呈现中心光强小于周围光强的“草帽型”分布。该结论对研究强激光在远场的辐照效应是有帮助的。     

非链式DF激光器非稳腔数值仿真与实验

基于描述光束传播的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论,运用快速傅里叶变换算法仿真了非稳腔DF激光的三维近场、远场光强分布。仿真结果显示:非稳腔的近场输出光斑形状为中心对称的空心圆环,远场输出光斑为具有中心亮斑的多级衍射环;大M数将导致近场光斑能量集中,大的Neq值将引起远场发散角变大。运用该算法研究了腔镜倾斜对近场光强分布的影响:腔镜倾斜使光束近场分布变差,倾斜角越大,光强的非对称分布越明显。开展了非链式DF激光器非稳腔实验研究,实验得到的近场、远场光强分布及腔镜失调下的近场光斑变化情况与数值模拟结果一致,实验测量的远场发散角为1.2 mrad。文中的仿真结果可为DF激光器腔镜失调诊断及调节提供依据。     

激光非均匀性和内光路热效应对远场特性的影响

高功率高能激光在光束控制系统(或称为内光路)中的传输距离比长程大气传输要短得多，但高功率密度的激光束在通过内光路时的热效应对远场光束质量会有显著影响。采用自编的四维仿真程序，详细计算了沿x方向呈线性变化的环状高功率激光束通过内光路的传输。用像散参数、桶中功率(PIB)和峰值光强位置描述了远场光束质量。研究表明，内光路的热效应(热晕)使得光束的峰值光强和可聚焦能力下降，降低了远场的光束质量，初始光束的非均匀性会影响光束的可聚焦能力并引起像散。值得指出的是，热晕是一种非线性效应，会影响光强分布和引起远场峰值光强位置的移动，对此给出了物理诠释，并用数值计算证实了物理分析。     

Energy dependence and depth distribution of electron beam-induced damage in GaAs/AIGaAs heterostructures

We have investigated the effects of electron beam (EB) irradiation on the optical and electrical properties of GaAs/AIGaAs heterostructures in the energy range between 5 and 25 keV and at electron doses of 1 x 10¹⁶~1 x 10²¹ electrons/cm². The most pronounced effects were observed for 10 keV EB irradiation. The photoluminescence (PL) intensity from quantum wells and the two-dimensional-electron-gas (2DEG) mobility were reduced at doses greater than 1 x 10¹⁹ electrons/cm² and 5 x 10²⁰ electrons/cm², respectively. On the other hand, for 5 and 25 keV, those degradations were not observed. For various EB energies, the depth distribution of EB-induced damage was determined by both PL and 2DEG mobility measurements. Using a Monte-Carlo simulation, the damage distribution was shown to be correlated with the energy-loss distribution of incident electrons. Namely, the penetration of 5 keV electrons is too shallow to cause any damage in the active region at around 100 nm depth. On the other hand, since the energy-loss distribution of 25 keV electrons is too broad and deep due to the reduced cross section of collisions between the electrons and target, it has little effect on the photoluminescence (PL) and the 2DEG mobility. Consequently, 10 keV electrons lose most of their energy in the active region (100 nm depth), being consistent with the observed degradation of the PL and 2DEG mobility.     

应用Collins公式和像差的Zernike展开分析激光光束在实际光学系统传输特性

在Collins公式基础上,将像差项用Zernike多项式展开后加入衍射积分,获取实际激光光束通过光学系统后的光强分布.对相关理论进行仿真,验证了理论的正确性.同时针对实际激光聚焦光学系统,从统计规律角度分析了系统公差引入对Gaussian光束聚焦光斑带来的影响.计算结果表明聚焦光斑总体随波像差RMS值增大而增大,不同像差分布形式对聚焦光斑特性影响较大.未分配系统公差时,激光聚焦光斑半径为1.520 mm;引入系统公差后,聚焦光斑半径有90%概率小于2.085 mm,平均值为1.700 mm,偏差为0.238 mm.     

激光在动态大气湍流中的传播特性研究

激光束在大气中传播的过程中会受到大气湍流的影响,导致光斑发生畸变,影响光束质量,并且在真实情况下湍流是随着时间变化的。本文针对这一问题,基于傅里叶变换的谱反演法建立了湍流相位屏模型,并根据湍流冻结法获得动态相位屏,开展了激光在不同强度的动态大气湍流中传输的仿真研究。仿真结果表明:对于相同的激光束,在相同时间内的光斑畸变随着大气湍流强度的增加而增加,并且接收到的功率密度整体上减小,起伏增加。     

啁啾脉冲高斯光束在自由空间的传输

基于瑞利-索末菲衍射积分,使用复解析信号法推导出了啁啾脉冲高斯光束在自由空间中的传输方程及其傅里叶谱,给出了远场的光场和空间光强的解析式,研究了啁啾参数C对脉冲光束传输的影响。结果表明,当啁啾参数C较小时,随啁啾参数增加,其轴上光谱蓝移增加C2倍,其轴上谱线宽度增加(1 C2)1/2倍。随衍射角增大,轴外光谱红移比无啁啾参数时快。脉冲宽度较小时,啁啾参数增大,轴上光强增大,横向光强分布越集中于传输轴附近;脉冲宽度较大时,啁啾参数增大对横向光强的影响减小。啁啾参数的正负号不影响横向光强分布和光谱分布。     

大气湍流对拉盖尔-高斯光束传播质量的影响

为了从系统的角度研究大气湍流对涡旋光束传播 质量的影响,根据广义惠更斯-菲涅尔积分和Kolmogorov湍流大气原理,利 用傅里叶光学分析方法和光束分步传播法对携带有轨道角动量(OAM)的 拉盖尔-高斯(LG)光束在湍流大气中的传播进行理论分析与数值仿真, 导出角谱形式的衍射模型及其对应的抽样限制条件。利用桶中功率(PIB,power in bucket)计算方法,分析湍流强度对不同OAM值的LG光束质量的 影响;引入高斯光束和点光源,对比评估典型光束的抗湍流能力。数值仿真结果表明:受大 气湍流影响,随着LG光束在湍流大气 中传播距离增加,光束会聚能力变弱有明显扩散;光束本身特有的环状光强分布及其相应的 相位分布都受到不同程度的破坏,损伤 程度与光束本身携带的OAM数有关;点光源对湍流的影响最为敏 感;高斯光束具有与小OAM值的LG光束相比拟的抗 湍流能力,且比大OAM数的LG光束有更强的抗湍流能力。