光束控制系统中热效应的数值模拟

编制了四维仿真程序,用以研究光束控制系统中的热效应对强激光传输的影响.作为数值模拟例,用Strehl比、可聚焦能力(即86.5%环围功率半径)、像散参数和光束重心偏移表征远场光束质量,研究了初始场分布为高斯和平顶分布的光束通过光束控制系统传输时热效应对远场光束质量的影响.结果表明,远场光束质量与初始场的空间分布有关,且随发射功率增大而变差.     

空心高斯涡旋光束在各向异性non-Kolmogorov大气湍流的光强分布

为了分析大气湍流对空心涡旋光束传输光强的影响,基于广义惠更斯-菲涅尔原理和Rytov相位结构函数近似,利用各向异性大气non-Kolmogorov湍流谱模型,推导出空心高斯涡旋(HGV)光束在各向异性大气湍流中的传输光强解析式,数值模拟分析了传输距离、湍流参数和光束参数对光强分布的影响.研究结果表明:随着传输距离增大,...     

AGSM光束的聚焦

基于有扭曲的各向异性高斯-谢尔模型(AGSM)光束二阶矩矩阵的传输公式,研究了AGSM光束通过透镜的聚焦。作了详细的数值计算,说明聚焦AGSM光束的传输特性,包括光束参数和横向光强的变化,特别是扭曲项和空间相关长度对聚焦特性的影响。     

平顶多高斯光束通过ABCD光学系统的传输特性

利用广义惠更斯一菲涅耳衍射积分公式,研究了平顶多高斯光束通过ABCD光学系统的传输特性,推导出光强分布的解析式.以透镜系统为例,给出了平顶多高斯光束聚焦场轴上的和焦面处的光强分布表达式,并对其光强分布进行数值计算及分析.研究结果表明,平顶多高斯光束的聚焦特性与阶数N以及透镜系统的菲涅耳数Nw等有关,随着平顶多高斯光束的阶数N的增大或透镜系统的菲涅耳数Nw增大,轴上和焦面上的光强迅速增大、聚焦光斑减小、焦移量迅速减小.     

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。     

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。     

入射角对猫眼光电系统回波光强分布的影响

为了研究入射角对猫眼光电系统回波光强分布的影响,从广义衍射积分公式出发,建立了倾斜高斯光束通过猫眼光电系统的光强分布模型,推导出其传输解析表达式,数值模拟了两种探测距离下光强分布随入射角度的变化规律.结果表明,在猫眼光电系统的半视场角范围内,入射光束为高斯光束时,探测距离、入射角的共同增大使得回波光束的能量逐渐减小,且分布模式越来越接近高斯模式;相比近距离探测,远距离探测时回波光强分布达到高斯模式对入射条件的要求更为严格.该研究为实际侦察提供了理论依据,尤其对入射角的选取具有指导意义.     

高斯涡旋光束在斜程大气湍流中的轨道角动量特性

本文基于广义惠更斯-菲涅尔原理和大气湍流理论模型,推导了高斯涡旋光束在non-Kolmogorov大气湍流中斜程传输的螺旋谱解析表达式和光强表达式,并数值模拟了涡旋光束传输后螺旋谱和光强的分布规律,分析了各光束参数和大气湍流对螺旋谱弥散的影响。研究结果表明：随着传输距离增大,螺旋谱弥散越强烈,在增大到一定距离时,各螺旋谱分量逐渐趋于均匀分布,光强逐渐呈高斯分布。增大光束的初始拓扑荷数和波长可有效减小传输后螺旋谱的弥散程度;当天顶角逐渐增大到π/2时,传输方式为水平传输,螺旋谱弥散程度显著增大;近地面折射率结构常数越大、湍流内尺度越小,螺旋谱弥散越严重,而湍流外尺度对螺旋谱的影响程度很小。     

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。     

部分相干光束在生物组织中的传输行为北大核心CSCD

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导了部分相干拉盖尔-高斯(partially coherent Laguerre-Gaussian,PCLG)光束在生物组织传输中交叉谱密度函数的解析表达式,并研究了光束在小鼠真皮组织传输中归一化光强和相位演化受传输距离z、拓扑荷m和径向指数n、空间相干长度σ变化的影响。结果表明,随传输距离增大,光束光强逐渐减弱的同时,光强分布轮廓也由多峰状逐渐演变为单峰状;初始的m阶相干涡旋和n个圆刃型位错先演化成m+2n个相干涡旋,再新生m+2n个相干涡旋。此外,拓扑荷、径向指数、空间相干长度越大,光束的光强分布变化和相位演化越慢。     

聚焦厄米-高斯光束对两种粒子的捕获

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和瑞利散射理论, 推导了聚焦厄米-高斯光束的光强和作用在瑞利微粒上辐射力 的解析表达式,主要研究聚焦厄米-高斯光束对折射率不同的两种粒子的俘获情况,以及光 束阶数m和n对俘获效果 的影响。研究发现,聚焦厄米-高斯光束在焦平面上呈现出矩形阵列分布的(m +1)×(n+1)个亮斑,这种光束选取合适的 光束阶数可以实现在亮斑处阵列分布的捕获(m+1)×(n+1)个高折射率粒子,同时在暗区俘获 m ×(n+1)个低折射率粒子。 此外,光束阶数越大,辐射力越大,越容易俘获两种类型粒子。因此,选择合适的光束阶数 ,可以实现两种不同折 射率的瑞利微粒的稳定捕获。所得结果可以应用在生物技术和纳米技术等领域。     

厄米-高斯光束在饱和非线性介质中的传输特性

为了研究厄米-高斯光束在光折变饱和非线性介质中的传输特性,采用有限差分方法数值求解了光波演化方程,理论分析了厄米-高斯光束的传输特性。结果表明,1维1阶、2阶和3阶厄米-高斯光束在光折变非线性介质中传输时,在合适的非线性条件下,均可以形成呼吸模式的孤子;随着非线性的加大,厄米-高斯光束的光场分量之间的相互分离趋势将逐渐变弱,同时,每个光场分量的振幅起伏效应会更加明显;改变厄米-高斯光束的入射位置、入射角度对其传输特性没有影响;2维厄米-高斯光束的传输特性和1维情况是类似的。厄米-高斯光束的这些特性在光开关领域有一定的应用前景。     

基于微扰法研究涡旋光束在大气中传输的热晕效应

基于一阶微扰法,推导了涡旋光束在大气中传输的稳态热晕解析表达式,并得到了由热晕引起的涡旋光束的相位畸变表达式.通过数值模拟涡旋光束在大气中传输的光强等值线分布,详细分析了传输距离、初始功率、横向风速、大气吸收系数和初始半径对涡旋光束热晕的影响.研究结果表明,在其他参数不变的情况下,单一增大涡旋光束的初始功率、传输距离和...     

非线性自聚焦介质中光束的非傍轴传输

在标量近似下,将非傍轴项近似等效为四阶空间色散和五阶非线性效应,利用变分法研究了高斯光束的传输特性。结果表明,在非傍轴情形下,高斯光束不会崩塌,而是经历聚焦 -散焦的周期性传输过程;光束初始功率越高,则周期越小。此外,高斯光束的自聚焦过程可以通过改变啁啾参数来控制,正负啁啾分别使光束第一次聚焦的距离缩短和延长,但两者都使光束的聚焦 -散焦的周期增大,而且啁啾值越大,周期也越大     

部分相干光光束并合的光束传输变换特性

运用维格纳(Wigner)分布函数(WDF)研究了高斯-谢尔模型(GSM)描述的部分相干光-光束并合的光束传输特性.推导出了并合光束的光束传输因子(M2因子)、峭度因子(K因子)以及光强分布的解析表达式.研究表明,并合光束的M2因子、K因子、光强分布和束宽依赖于总的空间相干度α,间距xd,束腰宽度ω0和GSM子光束数目N,如果子光束具有较大的α值,并合光束在远场更能达到较高的峰值光强和较窄的束宽.     

高斯阵列光束自耦合特性的实验研究

根据广义Huygens-Fresnel原理和修正von Karman谱模型,推导出了径向分布高斯阵列光束经非相干合成后在大气湍流中传输时的光强分布解析表达式,并对阵列光束自耦合特性随传输距离和径向分布半径的变化情况进行了数值分析,最后对径向分布半径不同的阵列光束自耦合特性随传输距离的变化进行了测量。实验结果表明:高斯阵列光束在大气湍流中水平传输时,随着传输距离的增加阵列光束会从某一距离处耦合成一束,且合成光束的平均光强呈类高斯分布;相同传输条件下,径向分布半径越小,阵列光束的自耦合特性越好。     

余弦平方-高斯光束的双焦开关和焦平面

为了研究余弦平方-高斯光束通过无光阑透镜后的聚焦特性,采用Collins公式推导了聚焦余弦平方-高斯光束轴上光强分布公式,并利用空间2阶矩法求得光束束腰宽度的解析表达式。通过数值方法研究了轴上光强的双焦开关现象和由束腰所在焦平面的焦移现象,得到了这两种现象随光束参量b、相对入射距离s'及菲涅耳数NF的变化关系。结果表明,只有b1时才出现双焦开关现象,而实际焦平面在s'≠1时存在焦移。     

湍流大气对高斯光束聚焦特性的影响

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导出高斯光束在湍流大气中经薄透镜聚焦后的光强解析表达式,进而得到轴上点最大光强和相对焦移的公式。对表达式进行的数值仿真结果表明,湍流大气中高斯光束的聚焦规律与自由空间中高斯光束的聚焦规律相同,湍流大气对高斯光束聚焦特性的影响表现为,使得轴上点最大光强减小、相对焦移增大。因此,为在探测器上获得最大光强和较小的相对焦移,应采用大束腰高斯光束通过短焦距透镜进行聚焦。     

贝塞尔-高斯光束经球差透镜的聚焦特性

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分推导了一种涡漩光束——贝塞尔-高斯光束经球差透镜聚焦后的光场表达式,并利用数值计算分析了球差系数对聚焦光束光强剖面分布的影响。研究表明,通过改变球差系数,可以改变零阶贝塞尔-高斯光束轴上光强最大值点的位置,球差的存在使轴上光强最大值减小。零阶贝塞尔-高斯光束经球差透镜聚焦后不能保持其传输不变性,在几何焦面上光强剖面类似于高斯形分布,而实际焦点所在面上的分布则仍具有零阶贝塞尔函数的特征。对于一阶贝塞尔—高斯光束,球差的存在会改变其横向光强分布。     

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。