艾里光束的远场特性及其演化规律

从艾里光束的理论基础出发,详细研究了艾里光束的远场传输特性,包括场强分布、光斑直径和桶中功率(Power in the Bucket,PIB)的演化过程。探讨了场强分布随截断因子a和任意横向刻度x0的变化规律,以及a和x0对艾里光束保持无衍射性质传输的距离(Distance with Keeping Non-diffraction,DKNd)、演化成类高斯分布的距离(Distance in which the Evolution became similar Guassian,DEG)和自弯曲程度(Self-bending Degree,SbD)的影响。研究发现:场强分布在演化成类高斯分布过程中,DKNd、DEG和SbD都随着x0的增大而增大,DKNd和DEG随a的增大而减小,a对SbD无影响。研究了艾里光束的光斑直径和PIB的演化规律, 发现在a值不同的情况下,在传输过程中光斑直径先保持不变后增加,PIB先减小后增大,最终等于0.76。     

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。     

贝塞尔光束的特性及参量的影响

本文利用数值计算研究了Bessel光束的传播特性及参量对其的影响,发现Bessel光束的最大无 射距离与光矢量横向分量系数kr成 反比,而与光阑半径R成正比。最后,得到了一个计算最大无衍射距离的经验公式。     

PCELG光束通过光阑传输后偏振度的研究

为了研究部分相干复宗量拉盖尔-高斯(PCELG)光束通过环形光阑后在湍流大气中传输时的偏振特性,基于拓展的惠更斯-菲涅耳原理,经理论推导,得出PCELG光束偏振度的解析表达式,并进行了相应的数值计算。结果表明,光阑的衍射效应将会造成PCELG光束偏振度振荡加剧的现象;当PCELG光束在湍流大气或自由空间中传输时,近轴处横向的偏振度有着剧烈的振荡,而在较远点处,其偏振度都是趋于1,且随着传输距离的增加,横向的偏振度趋于1时所对应的离轴距离也增大;当PCELG光束通过光阑后在自由空间中传输时,经过足够长的距离,偏振度将趋近于不同于初始偏振度的值,而在湍流大气中传输时,偏振度将趋近于初始偏振度。该结果对光束在大气中的传输及其应用具有实际意义。     

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...     

增大Bessel光束无衍射距离的凹透镜系统

根据传统轴棱锥法产生Bessel光束的原理和凹透镜的几何光学效应,设计并模拟了一套提高Bessel光无衍射距离的光学系统。利用凹透镜的发散特性,将其分别放置在轴棱锥的前方与后方,使用Math CAD软件进行模拟并与传统轴棱锥法进行比较,得出结论:在轴棱锥前方放置凹透镜使Bessel光的无衍射距离从244 mm增大至638 mm,同时增大中心光斑半径。在轴棱锥后方放置凹透镜使Bessel光的无衍射距离从244 mm增大至406 mm。使用He-Ne激光作为光源进行实验验证,实验结果与理论分析及仿真模拟基本一致。可根据实际要求选择凹透镜的曲率半径和位置,得到无衍射距离较大、质量较高的Bessel光束。     

Airy光束在Λ型三能级EIT介质中的传输特性研究

研究了艾里光束（Airy beams）在EIT介质中的传输性质。利用ABCD矩阵光学理论,推导出Airy光束在EIT介质中的传输解析表达式。计算结果表明,Airy光束的自加速偏转和光强分布都可以通过控制光的拉比频率调控。该研究结果对人们利用Airy光束在光学操控以及生物医学中的应用都具有十分重要的潜在应用价值。     

温度和强度对无偏压串联光折变晶体回路中高斯光束自偏转的影响

为了得到温度和强度对高斯光束在串联光折变晶体回路中自偏转的影响结果,假设一束暗孤子光束和一束高斯光束分别入射到串联光折变晶体回路中的两块晶体上,利用数值计算方法分析了暗孤子的最大光强或所处晶体温度变化对与明孤子匹配的高斯光束自偏转特性的影响.结果表明,高斯光束的偏转程度随暗孤子最大光强增加而增大,随晶体温度的升高而减小.这些结果对光控光器件、温控光器件的工程实现具有重要的参考价值。     

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。     

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。     

Propagation and self-healing properties of Lommel-Gaussian beam through atmospheric turbulence

The superposition of basic non-diffracting beams triggered new research hotspots lately, laying opportunities for long-distance wireless optical communication. The Lommel-Gaussian (LMG) beam formed by the superposition of Bessel-Gaussian light not only possesses non-diffraction feature, but also has tunable symmetry. With the help of Poynting vector analysis, we observed a smaller radial energy flow component during the propagation of the high order symmetrical LMG beam, which allows it to maintain the original beam profile over long distance. Thanks to the energy oscillation of the mainlobe and sidelobes, the mainlobe blocked by the symmetrical LMG beam can be restored. Also, the random phase screen with angular spectrum method is used to describe the beam behaviors in turbulence. The results show that the symmetry LMG is preferred in free space optical communication, and the asymmetric LMG performs poorly due to asymmetric energy transfer.     

无衍射激光图像全程定中方法研究

为了解决工程实际应用中经常用作直线基准的无衍射激光图像的定中问题,提出了一个无衍射激光图像的全程定中方法.该方法根据无衍射激光图像在不同距离具有不同特征的特点,先将图像接特征分类,再采用相应的方法定中.介绍了图像分类方法和不同类型的光斑图像定中方法.详细介绍了基于局域最小亮度的靶状无衍射激光图像边缘检测方法.用640 pixel×480 pixel、光靶分辨率为0.0504 mm/pixel的摄像机,在不同距离各拍取50幅图像,处理结果表明,该方法图像分类准确,速度快,精度高且抗噪声性能好.     

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。     

关于“无衍射”和“超衍射”的讨论

本文提出以下观点：“无衍射”光束并非“不发散”光束；只有当阑孔足够大时，截取后的有限直径“无衍射”光束在一定范围内仍具有中心光斑不发散特性；“超衍射极限”提法欠妥．     

相关参量对纳秒贝塞尔光脉冲光束传输的影响

在广义的惠更斯-菲涅耳衍射积分理论和稳相法的基础上,研究了纳秒高斯光脉冲通过理想加工和截面成椭圆的轴棱锥后最大无衍射距离内的光场分布,根据导出的光场表达式,数值模拟了三维光强分布及相应光斑图.研究表明在椭圆加工误差存在的情况下,不同椭圆误差、不同传输距离、不同光波波长对纳秒贝塞尔光脉冲光束传输均有影响.实验采用胶片扫描法对垂直于传播轴的横截面内纳秒光斑进行了记录分析.实验结果和理论模拟吻合很好.     

涡旋光束经过轴棱锥后的聚焦特性

研究了涡旋光束通过轴棱锥聚焦后的聚焦特性。利用惠更斯-菲涅耳衍射积分理论推导了涡旋光束经过轴棱锥聚焦后所获得的聚焦光强分布。数值模拟结果表明,涡旋光束经过轴棱锥聚焦后可获得高阶贝塞尔光束。研究了不同锥角的轴棱锥对涡旋光束聚焦特性的影响以及不同拓扑电荷数对聚焦特性的影响。结果表明,在轴棱锥对应的最大准直距离内,所获得的高阶贝塞尔光束保持了原有的无衍射特性。     

基于极坐标变换的相位扫描定中方法

为了实现无衍射光斑作为直线基准在复杂噪声背景下仍能快速精确定中的目的,采用相位扫描的方法来获得极坐标系下的无衍射光斑相位角随极角的振荡起伏,对无衍射光斑在环向上的相位与标准正弦条纹的相位对比获得其偏离量,通过多次迭代便实现了无衍射光斑的定中,并进行了理论分析与测试实验。结果表明,该算法具有良好的抗噪能力、较低的计算时耗和亚像素级的定中精度。     

Multiplexed Nondiffracting Nonlinear Metasurfaces

Metasurfaces and planar photonic nanostructures have drawn great interest from the optical scientific community due to their diverse abilities of manipulating electromagnetic waves and high integration. Most metasurfaces launch diffracting waves, and thus suffer from divergence, short working distance, and instability. Although much effort has been devoted to researching nondiffracting metasurfaces which can launch electromagnetic waves with constant transverse intensity profiles in free‐space propagation, the number of working channels is inherently limited as these meta‐devices are implemented in the linear optical regime. Here, the multiplexed nondiffracting nonlinear metasurfaces are theoretically proposed and experimentally realized, which can generate the representative nondiffracting Bessel beam and Airy beam. Three Bessel beams with different numerical apertures and topological charges and three Airy beams with different propagation curves and focal lengths can be generated by a combination of different spins and wavelengths. The complex properties of the nondiffracting beams can be designed and detected in a more comprehensive and concise way with Fourier analysis. This proof‐of‐concept represents a new strategy for realizing multiplexed nondiffracting metasurfaces with advantages of ultracompactness, high‐pixelation, and easy integration and paves the way for multi‐channel optical communication and manipulation.     

圆形周期介质内艾里光束的传输特性

为了研究无衍射光波在特异材质内的传输特性，实现更优良的光波通信，将传统右手材料和双负折射率材料相结合，提出了一种轴向阶跃变化周期圆形介质结构。基于广义惠更斯-菲涅耳光学积分公式，结合光学传输矩阵，分析了艾里光束在这种传输媒质中出射表面光强分布特性和侧面传输光强分布图；分析了负折射率参量对这类光波演变的影响及其补偿机理；分析了实现输出光波完美还原时，负折射率大小同介质单元长度的定量关系。结果表明，当介质孔径逐渐减小时，有限艾里光束衍射效应越来越严重，并且出射光强外形轮廓逐渐从艾里光束过渡到高斯光束；当双负折射率材料的折射率n_l的绝对值大于右手材料的折射率n_r时，出射表面实现光波完美还原的双负折射率材料单元层越长，反之则越短。该研究对分析周期或准周期轴向阶跃变化的圆形平板介质光波通信是有帮助的。