Theoretical and experimental study on the shape of laser beam in the Goos-H(a)nchen effect

在研究双面金属包覆波导对古斯-汉欣( Goos-Hinchen,G-H)位移的增强效应过程中,观察到了光束在发生古斯-汉欣侧向位移的同时光斑能量会重新分布的现象.为了研究其产生机理,采用高斯光束模型对其进行了模拟计算和实验验证,得到了在波长调谐时,反射光经历不同G-H位移时的光斑形态.结果表明,理论分析和实验结果是完全一致的,并预示着实验中用位置灵敏探测器在观测G-H位移时的局限性.这一结果预计对利用古斯-汉欣效应制作的各类光学器件的研究及应用是有帮助的.     

含有银纳米膜的棱镜中光束古斯-汉欣位移效应研究

古斯-汉欣位移是一种灵敏度极高的折射率测量办法,在温度、压力传感等方面有 巨大的应用潜力, 但测量精度要求较高。为解决测量的困难和提高古斯-汉兴测量精度,本文设计了一种棱镜 -银纳米膜界面层, 搭建了一套可测量多偏振态多角度古斯-汉兴位移的测量装置,以此测量了棱镜-空气和棱 镜-银纳米膜不同 界面的光束的古斯-汉欣位移,并对其物理机制进行了探讨。实验结果显示棱镜-空气界面 的古斯-汉欣位移 平均值是2.7 μm,棱镜-银纳米膜界面的古斯-汉欣位移平均值是 27.7 μm,比棱镜-空气界面的位移增大了 约10倍。使用COMSOL multiphysics软件模拟了棱镜-银纳米膜以及 棱镜-空气界面的电场分布,对比棱镜- 空气的情况,表明在消逝场作用下,银纳米颗粒表面形成了较强光场分布,光场方向沿入射 光电场振动方 向;银颗粒表面光场和消逝场的叠加使得消逝场增强,从而导致棱镜-银纳米膜界面的古斯 -汉欣位移增大。 本工作为提高基于古斯-汉欣位移效应的生物传感器的灵敏度提供了一个可供选择的手段。     

石墨烯-六方氮化硼结构的古斯-汉欣位移

为了研究由石墨烯覆盖半无限六方氮化硼结构中的古斯-汉欣位移性质,采用传输矩阵方法分析了结构参量对反射光古斯-汉欣位移的影响。结果表明, 通过合理调节石墨烯的化学势或层数,均可实现古斯-汉欣位移由正到负的一个转变;通过选取合适的参量,可实现较大的古斯-汉欣位移,其最大值约为波长的450倍。此研究结果对设计光开关、光学传感器件具有重要意义。     

基于古斯-汉欣效应的激光束精密平移的研究

为了精密控制激光光束的平行移动,利用双面金属包覆波导结构在导波共振激发时对古斯-汉欣(Goos-Hänchen)位移的增强效应,采用光学非线性晶体材料作为波导的导波层,通过在波导中两层金属膜间加入控制电压,改变波导参量,实现反射光侧向位移的电调谐,得到了720μm范围内的光束平移电控,控制精度可达25nm。结果表明,实验结果和理论模拟吻合较好。预计本工作对光学微加工领域应用具有积极而广泛的意义。     

基于古斯汉欣效应的皮米级位移传感器的实验研究

本文利用光束在对称双面金属包覆波导表面反射时古斯一汉欣（Goos—Hanchen）位移具有极大的增强效应,提出一种灵敏度的极高的新型位移传感器。与传统的光强传感器相比,这种传感器消除了光源的能量波动对灵敏度的影响,从而能够观测更加微小的位移变化。在实验上实现了8pm微小位移传感。研究表明,该器件测量实时性强、精确度较高...     

基于介质和石墨烯涂层的古斯-汉欣位移的精确调控

提出了一种基于介质和石墨烯涂层的结构来进行古斯-汉欣位移调控,利用传输矩阵法研究了该结构参数对共振角及共振角处反射光的古斯-汉欣位移的影响。数值模拟结果表明,共振角随介质层厚度的增加逐渐增大,而随石墨烯费米能级的增加逐渐减小;古斯-汉欣位移大小随介质层厚度的增加先增加后减小,而随石墨烯费米能级的增加单调减小。介质层厚度对共振角的影响较为显著,而石墨烯费米能级对古斯-汉欣位移的影响较为显著。     

近海面大气湍流中准直高斯光束光斑扩展实验

光斑扩展是光束在大气湍流中传输时的一个重要效应。利用光束动态变化测试系统在烟台地区近海面进行了准直高斯光束传输实验,在测量光斑扩展、温度、相对湿度和大气折射率结构常数等数据的基础上,分析了近海面准直高斯光束光斑扩展的变化特征。分别选择不同距离的链路和不同时间段进行实验,分析光斑扩展的变化情况。研究结果表明:近海面大气湍流中的光斑扩展半径与大气折射率结构常数相关性在晴朗时比风浪较大时要好。在风浪较大时,光斑扩展半径与大气折射率结构常数相关性较差,但在一定时刻与温度和相对湿度相关性较好;在链路距离相同的条件下,夜间光斑扩展半径明显小于昼间,且夜间光斑起伏幅度也小于昼间。     

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。     

刀口法测量拉盖尔-高斯涡旋光斑的理论与实验研究

拉盖尔-高斯(LG0l)涡旋光束携带光轨道角动量,提供了额外复用自由度,可以极大提高光通信容量,实现该涡旋光束光斑半径的精确测量对其应用具有重要意义.刀口法由于廉价、方便、精度高、适用于较大功率的测量等优势,是测量光斑尺寸及束腰尺寸的理想方法.然而,以往刀口法的研究主要集中在基横模高斯光束上,尚缺少关于刀口法对LG0l涡旋光斑的测量研究.本文对基于刀口法的LG0l涡旋光斑尺寸测量进行了详细地理论分析和实验研究.理论分析中给出了刀口法测量LG0l涡旋光束的原理;实验上将螺旋相位板对基模高斯光束调制后产生的光束当作LG0l涡旋光束的近似,并采用刀口法测量了该LG0l(l=0,1和2)涡旋光的光斑;借助Mathematica程序数值拟合了实验测量的横向光场强度分布结果,得到了不同LG0l涡旋光束的光斑半径.根据光斑半径的特点可得出:经低涡旋阶数的螺旋相位板调制之后,基模高斯光束可变为相应涡旋阶数的LG0l涡旋光束,变换前后光斑半径基本保持不变.     

Pearcey光束的形成及其聚焦特性

设计一种简单的光学元件抛物缝孔径获得Pearcey光束,基于空间域中的广义惠更斯-菲涅耳衍射积分,导出该系统的Pearcey光束表达式。数值模拟和实验验证了Pearcey光束的产生。同时研究了Pearcey光束的自聚焦特性,讨论了抛物缝孔径焦准距对聚焦光斑的影响。实验所得自聚焦光斑大小与数值模拟相符,研究结果对Pearcey光束用于光学囚禁提供理论和实验依据。     

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。     

基于液晶光阀和光束分析仪的Goos-H(a)nchen位移的简单测量

Goos-H(a)nchen(GH)位移只有波长数量级,在实验测量上比较困难.提出了一种基于液晶光阀(LCLV)和光束分析仪(LBP)直接测量GH位移的新方法.研究了LCLV对光偏振态调制的特性,结果发现,当外接电压发生变化时,光的偏振态也随之变化.利用LCLV对光偏振态的调制和LBP记录光斑的重心位置的变化,直接测量出TE和TM两种偏振态入射时棱镜单界面反射光束的GH位移差.这个探测方法简单,不需要复杂的外部处理电路,且实验结果与理论结果很吻合,此方法也可以进一步直接测量二维位移.     

湍流介质对激光瞄准测试系统的偏差影响分析

用波长1.06 μm的YAG晶体激光器作为激光光轴指示器,设计一套远距离激光瞄准测试系统,在外场环境下进行大量实验,采集了不同距离、不同时段的光斑变化数据.在对光斑数据进行图像处理以及统计分析的基础上,通过分析不同时段光斑偏移标准差,研究了光束在3 km范围内不同距离的偏移情况.同时,基于推广的惠更斯-菲涅耳原理和实测的现场气象数据,分析了湍流效应对传输光束相干性的影响.结果表明:大气的湍流效应以及相干性变化都会影响到光束的传输特性.结合实验得到的标准差曲线对统计模型进行修正,可为提高激光测试系统的瞄准精度提供依据.     

基于液晶光阀和光束分析仪的Goos-Hänchen位移的简单测量

提出一种基于液晶光阀（LCLV）和光束分析仪（LBP）直接测量Goos-Hänchen（GH）位移的新方法。在文中我们首先研究了LCLV对光偏振态调制的特性,结果发现,当控制电压发生变化时,光的偏振态也随之变化。然后利用LCLV对光偏振态的调制和LBP记录光斑的重心位置的变化,直接测量出TE和TM两种偏振态入射时棱镜单界面反射光束的GH位移差。这个探测方法简单,不需要复杂的外部处理电路,且实验结果与理论结果很吻合,这个方法也可以进一步直接测量二维位移。     

窗口效应对高能激光光束质量影响的实验研究

选用氟化钙为窗口材料,通过实验验证了高温和应力作用下的窗口对光束质量的影响。选取一种高能激光光束质量的评价方法,对窗口效应引起的光束质量退化在实验中得到了验证。通过处理光束在远场的光斑半径,得出由于窗口的影响,光斑半径变大且增长速率较快的结论,从而证实窗口热效应对光束质量有较大影响。     

激光引信在降雨中的光束扩展特性

激光引信在降雨中工作时会受到雨滴的散射和衰减效应,使光束质量变差,回波能量减小,从而影响探测系统的性能。以蒙特-卡罗方法为基础,给出了激光在降雨中的传输模型,分析不同模拟条件下光束的扩展特性,并进行实验测试。由仿真分析可知,雨滴对光束的散射作用导致光斑扩散,从而光束能量密度减小,并且随着降雨强度、传输距离和光束发散角的增大,光子散射次数增多,光斑直径扩大,到达接收面的光子减少,光束能量衰减。实验测试结果与仿真计算基本一致,最大误差不超过4%,很好地验证了模型的准确性。     

斜入射角度调谐滤光片的反射光强分布

基于多光束干涉原理,从高斯光束在自由空间的传输方程出发,推导了高斯光束斜入射角度调谐窄带滤光片的反射光强以及透射光强的表达式。在此基础上研究了滤光片入射角对高斯光束反射特性的影响和关系。理论数值计算和实验结果都表明,随着入射角度的增大,滤光片透射光强的光斑会出现明显的展宽现象,而其反射光强的光斑虽会在较大角度斜入射时出现一定的展宽,但是展宽幅度远小于透射光斑的变化。故角度调谐窄带滤光片的反射端口在其调制范围内不需要跟透射端口一样进行光斑整形处理。     

大功率半导体激光加工光致等离子体折射效应

为了研究大功率半导体激光加工过程中,光致等离子体对激光光束显著的屏蔽作用,以波长为976nm、光斑尺寸为0.5mm1mm、最大功率为4kW的半导体激光加工系统为实验基础,采用了与实际相符的光致等离子体电子密度数学模型和几何光学ABCD矩阵算法,从吸收和折射两方面对光致等离子体的屏蔽作用进行了理论分析和实验研究,得到了在光致等离子体电子密度ne1.01018/cm3的条件下,光致等离子体的折射效应才是引起半导体激光光束屏蔽的主要原因这一结果。结果表明,光致等离子体改变了聚焦光束的形态,使其焦点下移、光斑变大、能量密度变小,其效果类似于一个非线性梯度折射率的负透镜。     

光束夹角及空间分布对光克尔开关门成像的影响

构建光克尔效应时间门物理模型,采用抽运探测实验获得的二硫化碳(CS2)克尔信号曲线作为光开关门响应函数,对光束传输进行时间切片和空间离散,模拟出了光开关门的时空演化规律。研究了在不同的抽运光与探测光夹角和光束空间分布情况下的时间门宽度和光束强度分布。结果表明:对于高斯空间分布的抽运光束和探测光束,随着抽运光束与探测光束夹角增大,时间门变窄,光斑由对称圆变成椭圆形,交叉角越大,椭圆度越大;如果抽运光束和探测光束的空间分布为超高斯分布,随着光束夹角增大,开关门的时间曲线前沿不断变缓,但光斑空间形状基本没有变化,椭圆光斑的椭圆度约为1/3。这些结果为抽运探测和光学弹道成像等实验参数的选取提供了一定的参考依据。     

新颖旋转涡旋光束的传输特性研究

正涡旋光束的相位分布具有螺线形,其相位因子为exp(imθ),光束中的每个光子携带m的轨道角动量,其中m称为拓扑荷数、从傍轴波动方程出发,一是推导出一种新颖旋转涡旋光束的解析解,解析结果表明,该旋转涡旋光束在传输过程中旋转,而且该新颖旋转涡旋光束的光斑像"X"形状、二是数值模拟傍轴波动方程。三是采用计算全息和空间光调制器的技术在实验中观察了不同传输距离处的光斑。通过以上研究表明,新颖旋转涡旋光束的解析结果、数值结果与实验结果吻合较好。此外,通过实验还测量了不同分布因子对光斑结构的影响,从而验证了新颖旋转涡旋光束的旋转以及保持"X"形状的特性。研究结果进一步完善了旋转涡旋光束,为实现新型奇特光束提供了科学的理论和实验依据、