相位全息图几何参数变换对艾里光束的影响分析

艾里光束具有无衍射、自加速和自愈合三大特性，其中自加速特性最吸引人。为更全面了解艾里光束的自加速特性，在保证其轨迹完整的前提下，基于几何变换改变相位图中立方相位的相对位置和旋转角度来探究艾里光束的加速特性，利用傅里叶光学推导出对应的光谱公式进行验证。结果表明，相位图几何变换调制可以显著改变艾里光束的传播轨迹位置和空间偏转位置。研究对艾里光束的自加速特性领域及应用提供了更全面的认识，对控制其他加速光束的理解提供了新的思路。     

艾里涡旋及其衍生光场

艾里光束作为一种具有自加速特性的无衍射光束,在光镊、光学成丝、成像、表面等离子激发等众多领域都具有应用潜力。而在艾里光束基础上引入涡旋项可以丰富光场特性,同时利用艾里光束特性与涡旋相位特性为光场分布调谐提供了更大的灵活性,也引入了更多的动力学演化特性。以直角坐标和极坐标系下艾里光束的特性与应用为切入口,系统介绍了各类艾里涡旋的参数调谐与演化特性,包括直角坐标和极坐标系下单个艾里涡旋在各个情况下的演化特性、产生方式与应用,以及直角坐标和极坐标系下的艾里涡旋叠加光束的奇特性质等,为系统了解艾里涡旋参数及动力学特性提供参考,进而为产生具有更加丰富性质的光场打下基础,对扩大艾里涡旋的实际应用领域具有指导意义。     

自加速艾里光束的生成及控制

基于切线簇的概念,从几何光学的角度分析了自加速艾里光束的形成过程,以及艾里光束入射面相位分布与其自加速轨迹的关系,并给出了根据自加速轨迹分布函数推算艾里光束入射面相位分布的迭代算法,讨论了艾里光束自修复特性的形成原理。利用液晶空间光调制器调制准直激光束实验生成了二维艾里光束,并对其无衍射、自加速、自修复等特性进行了验证。此外还通过对一维艾里光束的调控实验生成了自聚焦光束和类贝塞尔光束等新型的光束。     

有偏压光伏光折变晶体中自加速光束交互效应的理论研究

采用分步傅里叶法理论探究了有限能量艾里光束和非线性加速光束在有偏压光伏光折变介质中的交互效应。结果表明:调节光束初始间隔和入射角度可使同相位或反相位有限能量艾里光束相互吸引或排斥。同相位时不仅产生呼吸孤子和孤子对，在适当参数条件下还可形成分叉孤子；反相位时仅有孤子对产生；同相位非线性切趾加速光束交互可以产生奇数个呼吸孤子，反相位非线性切趾加速光束交互可以产生偶数个呼吸孤子对。此外，呼吸孤子的峰值强度、呼吸周期和相互作用力的大小均可以通过外部偏压和入射角度进行有效调控。研究结果可为艾里光束交互调控提供理论基础，同时在全光信息处理和光学网络器件制备等领域具有潜在的应用前景。     

不同能量背景的环形艾里飞秒激光光束大气成丝特性

自从第一次观察到飞秒激光大气成丝后,光丝备受科学家的关注。它的潜在应用价值主要包括电子加速、激光雷达远程遥感、太赫兹辐射和超短脉冲压缩。利用数值仿真的方法,通过改变艾里光束的衰减系数,研究了不同能量背景的环形艾里光束飞秒激光大气成丝特性,得到的光丝长度长于拥有相同峰值功率、弱能量背景高斯光束形成的光丝。通过分析飞秒激光光丝演化过程的时间和空间特性,发现了环形能量背景是环形艾里光束沿传播方向形成高能量密度光丝的前提条件。比较了环形艾里光束和高丝光束在成丝过程中的光谱展宽特性,发现不同衰减系数的环形艾里光束具有相似的光谱展宽特性,但要明显弱于高斯光束的光谱展宽。研究成果对与提升飞秒激光成丝效果具有参考意义。     

二维艾里光束飞秒成丝特性研究

艾里光束因具有无衍射、自愈和、横向自加速等奇异特性,自被发现以来便成为一个研究热点。对艾里光束的基本理论进行了简单的介绍。利用常用的分步傅里叶数值法对二维艾里光束在空气中的飞秒成丝特性进行了研究。重点计算了二维艾里光束在一定条件下初始光场随传播距离的演化过程。仿真结果表明:当入射的飞秒激光能量足够大时,二维艾里光束在传播很短的距离后便表现出强烈的成丝特性。光丝能量在一定传播距离内会维持较高水平,之后急剧衰减直至光丝消失。所做工作对后续开展相关实验研究具有一定指导意义。     

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。     

自弯曲艾里光束阵列产生的可调局域空心光束（英文）

利用艾里光束自弯曲特性,提出一种新的艾里光阵列产生的局域空心光束。这些艾里光束阵列以环形排列,当它们向前传播的同时又以向内的方向加速传播,从而形成环形局域空心光束。通过调节在初始输入平面上环形艾里光束阵列之间的间隔距离,可以很灵活实现调控局域空心光束大小。与传统的高斯激光叠加相比,多艾里光束的无衍射特性及相干叠加使得输出能量大大提高。数值模拟结果表明通过环形艾里光束的自加速特性可以形成局域空心光束。该灵活可控的局域光束可以为原子捕获与生命细胞操控提供更好的灵活性。     

自聚焦阵列艾里光束的实验实现

具有自聚焦性的阵列艾里光束的光束强度较强,光束密度较大,对大气湍流和大气散射的抑制优势明显,可在接收端接收到较强的光信号,提高大气激光通信质量。将多个可产生艾里光束的立方相位膜片进行有序排列可生成多相位膜片,利用多相位膜片可产生具有自聚焦性的阵列艾里光束。仿真和实验说明了阵列艾里光束的自聚焦过程及光斑尺寸对其自聚焦性能的影响。结果表明,基于多相位膜片产生的阵列艾里光束具有自聚焦性,且其自聚焦的聚焦位置随光斑尺寸的变大而变大。因此,通过控制阵列中每个艾里光束的光斑尺寸,可有效控制艾里光束的自聚焦位置。     

艾里光束调控与三维显微成像应用

艾里光束具有无衍射、自修复和自加速的传播特性,在光操控、非线性光学、光学成像等领域受到关注.本文介绍利用空间光调制器所构建的4f系统产生和调控艾里光束的方法.通过调控艾里光束的自弯曲传播点扩散函数,设计并实现了艾里光束三维重建显微镜,研究了该显微镜的成像性能,在40×/0.75 NA物镜下实现了横向分辨率约为0.5μm...     

基于石墨烯太赫兹超表面的特殊波束动态调控

现有的大多数特殊波束(聚焦波束、艾里光束等)超表面通常采用金属结构单元,通过改变单元结构的尺寸和旋转角度等方式进行单一的波前调控,但对动态调谐波前的特殊波束超表面的研究很少。本文突破传统结构的壁垒,利用石墨烯独特的电可调性,构造出利用石墨烯费米能级动态调控波前的特殊波束超表面,可在动态调控波前上实现更灵活的自由性,满足更多、更复杂的相位需求。通过调控石墨烯费米能级获得不同的相位分布,动态调控焦点的空间位置、聚焦开关与焦点个数之间的切换以及影响艾里光束的参数等。所提出的动态调控波前特殊波束超表面可为太赫兹在高分辨成像、聚焦可调平面透镜、光学显微操作、激光微加工、光学子弹成型等方面的应用提供参考。     

Dynamical behavior and propagation characteristic of partially coherent sinh-Airy beams in oceanic turbulence

By introducing the hyperbolic sine function to Airy beam, the dynamic behavior and propagation characteristics of partially coherent sinh-Airy beams in oceanic turbulence are studied using approximate analytical intensity expression. The influence of sinh modulation parameter, coherence length and ocean parameters on intensity evolution, beam width and kurtosis parameter is mainly discussed. The results show that a non-zero sinh modulation parameter presents not only the insensitivity to oceanic turbulence, but a smaller beam width. Furthermore, it also improves kurtosis parameter. These findings bring advantages in signal reception for long distance. In addition, a larger relative intensity of temperature or salinity fluctuations, mean square temperature dissipation rate, or a smaller dissipation rate of turbulence kinetic energy is more liable to increase beam width, or decrease intensity and kurtosis parameter of partially coherent sinh-Airy beams. The results provide an opportunity for improving signal reception of underwater communication or target detection by Airy beams or their groups.     

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。     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。     

Generation of Airy beams using a phase-only Fresnel holographic lens

A method to generate Airy beam by combining the Fresnel holographic lens and the cubic phase of Airy beam is proposed. The detailed theoretical derivation to express the optical transform principle of the proposed method is presented. And excellent experimental results are demonstrated. It is shown that this approach works well and simplifies the experimental facility effectively, especially reducing the optical system length to half of that of the conventional method. In addition, the proposed method can realize the beam propagation trajectory control of Airy beam and generate Airy beam array. E-mail:luqiang52177@163.com      

Airy缠绕孤子的产生及操控

利用分步傅里叶方法数值模拟研究了相同振幅的平行输入正反Airy光束在Kerr介质中脱落孤子的演化，并进一步研究了高阶效应对脱落孤子的影响。研究结果发现:Kerr介质中正反Airy光束由于相互作用，将产生类似于DNA结构的缠绕孤子，通过调整初始输入的振幅和间距，可以影响缠绕孤子的特性。另外发现:当存在单个高阶效应（三阶色散，拉曼，自陡）或者同时存在多个高阶效应时，缠绕孤子在时域和频域的演化会发生很大影响。研究结果可以为调控Airy光束产生的脱落孤子提供一些理论基础，也可以为Airy光束在超连续谱产生和宽带光源方面提供潜在的应用前景。     

利用自加速光进行激光目标追踪理论及实验研究

将激光束准确地照到运动目标上是激光追踪系统重要核心问题。本文利用空间相位调制器设计了新型自加速光束,该光束可以沿预设轨道进行非直线传输,从而可以在一定范围内代替传统转台进行目标追踪。该类光束还具有无衍射的特点,提高了照射目标处激光能量密度。采用空间光调制技术在实验中实现了各种预设轨道的传输,验证了光束传输轨道的可控性及无衍射特性,为下一步该技术走向实用奠定了基础。     

加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生与传输

通过对具有加载光学涡旋的圆形Airy光束传输性质的研究,理论分析了笛卡尔坐标系下,利用分区域法加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生,并通过傅里叶变换与角谱传输定理,理论模拟了该光束的传输特性,讨论了加载不同拓扑荷数光学涡旋对光束传输特性的影响。结果表明:拓扑荷数的大小对聚焦位置影响不大,但随着拓扑荷数的增加,焦平面上光束中心处的空心尺寸变大,并且光束的突然自聚焦强度降低。由于该研究具有同时产生并在多光束上加载不同拓扑荷数光学涡旋的优点,在光操控多微粒领域及激光治疗等领域具有潜在的应用价值。     

高斯和超高斯型随机相位调制的光腔模式

本文利用空间－频率域相干模式理论对内置高斯或超高斯类型的随机相位调制的腔内模式进行了数值分析。结果表明：在这种随机相位片调制下,通过控制参数,可以在一腔镜上得到部分相干的类超高斯分布的光束,且类超高斯阶次可由相位参数控制;本文还引入新的参量－平整度来描述光束的整体强度分布的特征。