非傍轴双曲正弦高斯光束质量因子M2的研究

在标量光场角谱衍射理论的基础上,应用精确光强定义下的非傍轴标量光束的光强二阶矩理论,计算了非傍轴双曲正弦高斯光束的束腰半径、远场发散角、质量因子,并与傍轴双曲正弦高斯光束的质量因子进行了比较研究。数值计算表明,当双曲正弦高斯光束束腰半径较大时,传统光强定义下的光强二阶矩理论近似成立,傍轴与非傍轴理论计算的光束质量因子变化规律完全相同;束腰半径较小时,傍轴理论计算的结果有较大误差,必须采用精确光强定义下的非傍轴光束质量因子的定义作修正。     

部分相干cosh-Gaussian光束通过大气湍流后的聚焦特性

为了研究部分相干双曲余弦高斯光束通过大气湍流中传输后的聚焦特性,采用了ABCD矩阵光学的方法进行分析研究,取得了光强分布、束腰半径以及桶中功率的解析式,并用于描述部分相干双曲余弦高斯光束通过大气湍流的聚焦特性。结果表明,在不同湍流强度下,部分相干双曲余弦高斯光束和双曲余弦高斯光束在经过大气湍流后有不同的聚焦特性;使用桶中功率和束腰半径作为评价参量,大气湍流对完全相干双曲余弦高斯的影响更严重;大气湍流对聚焦部分相干双曲余弦高斯光束的影响要大于准直光束。该结果对部分相干光束聚焦特性的研究有一定的理论指导意义,对合成光束傍轴聚焦系统的设计有工程指导意义。     

厄米-双曲余弦-高斯光束的束腰宽度

从二阶矩定义出发,推导出了厄米双曲余弦高斯光束束腰宽度的解析表达式,作为特例给出了厄米余弦高斯光束、双曲余弦高斯光束、余弦高斯光束及厄米高斯光束束腰宽度的表达式;进行了数值计算及分析。     

高阶双曲余弦高斯光束的传输性质

引入了高阶双曲余弦高斯光束,结果表明这类光束在一定参数条件下呈现平顶光束特征。这类光束可用偏心高斯光束或双曲余弦高斯光束的相干叠加而得到,因而也是傍轴波动方程的解,并讨论了它们在一阶光学系统中的传播性质。     

非傍轴截断双曲余弦高斯光束的M2因子

基于功率密度的二阶矩方法,对非傍轴截断双曲余弦高斯(ChG)光束的束宽、远场发散角和M2因子进行了研究.数值计算结果表明,非傍轴截断ChG光束的M2因子不仅与截断参数δ、偏心参数α有关,而且与初始束腰宽度和波长之比w0/λ有关.在δ足够小时,M2因子可小于1.当δ→ 0时,远场发散角趋于渐近值63.435°.对于α=0(Ω0=0)和δ→∞的特例,我们的结果分别退化为非傍轴截断高斯光束和非傍轴无截断ChG光束的M2因子.     

复变量双曲余弦平方-高斯光束的束腰宽度及其位置

本文引入了近轴近似下波动方程的解—复变量双曲余弦平方 -高斯光束 ,该光束与双曲余弦函数项相关的参数为复数。本文主要对复变量双曲余弦平方 -高斯光束的基本特性进行了研究。由Collins公式出发推导出了光束通过近轴ABCD光学系统传输时的场分布函数。基于二阶矩定义 ,导出了光斑尺寸的解析表达式 ,并得到了该光束在自由空间传输时束腰宽度及其位置的解析式。最后对所得结果进行了数值计算和分析。     

非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性

为了研究非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性,运用Wigner分布函数法,从空间域和频率域对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性进行了理论分析,得出了该光束1阶情况下在空间、频率域系统的解析传输公式及光强分布表达式,分析了这些表达式中3个主要参量f,fσ和g对厄米-余弦-高斯光束在自由空间传输的影响。结果表明,在调制参量g不变时,束腰参量f和相干参量fσ对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束的非傍轴性起了至关重要的作用;非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束在传输过程中随着g的改变,不能保持其光强分布形状,有前移趋势。     

非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性

为了研究非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性,运用Wigner分布函数法,从空间域和频率域对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性进行了理论分析,得出了该光束1阶情况下在空间、频率域系统的解析传输公式及光强分布表达式,分析了这些表达式中3个主要参量f,fσ和g对厄米-余弦-高斯光束在自由空间传输的影响。结果表明,在调制参量g不变时,束腰参量f和相干参量fσ对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束的非傍轴性起了至关重要的作用;非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束在传输过程中随着g的改变,不能保持其光强分布形状,有前移趋势。     

一维会聚非傍轴高斯光束焦线附近的光场特性

傍轴近似常被用于光束传输理论的表达,数值计算常被用于非傍轴光束的传输特性分析。为了使一维会聚非傍轴高斯光束的传输特性更加简明,本文基于倾斜因子由观察方倾斜角余弦平方根表达的非傍轴衍射积分公式,给出了符合行波场辐射能守恒定律的一维会聚非傍轴高斯光束的焦平面光场分布表达,同时给出了焦点附近一维会聚非傍轴高斯光束的轴上点光强和相位特性表达。当一维会聚非傍轴高斯光束的最大倾斜角远大于高斯光束的远场发散角时,合理的观察方倾斜因子可将高斯光束传输特性从傍轴领域延拓到非傍轴领域。本文阐明了一维会聚非傍轴高斯光束的传输特性,并验证了用观察方倾斜角余弦平方根表达观察方倾斜因子的合理性。     

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。     

非傍轴厄米-正弦-高斯光束的特性

为了研究厄米-正弦-高斯(HSiG)光束在非傍轴情形下受参量影响的特性,基于光强二阶矩理论,经过一系列复杂的数学计算,得出了非傍轴厄米-正弦-高斯光束的远场发散角、束腰宽度以及光束传输因子的解析式,并通过数值模拟,得到了它们与离心参量的关系。结果表明,在束腰宽度与波长比取值逐渐减小时,随着离心参量趋于0,当阶数为奇数和偶数时.发散角分别趋于63.435°和73.898°。束腰宽度和光束传输因子随参量的增加呈现较大的起伏,非傍轴情形下的光束传输因子取值与傍轴情况有很大的不同,其受参量影响不仅可以小于1,甚至趋于0。     

TE矢量高斯光束的二阶矩传输

运用光束传输的非傍轴矢量矩理论,对TE矢量高斯光束的传输进行了研究,给出了束腰、横向发散角和光 束传输因子的积分表达式。基于能流二阶矩定义的横向光束宽度在传输过程中服从简单的双曲线变化规律。数 值计算表明,在高度非傍轴情形下,由于TE偏振导致两个横向存在不同的光束传输特性,且最大的横向发散度超 过了非傍轴标量高斯光束的发散度极限63.43°,接近于90°,这与波动光学理论相符合,其中x方向上的发散度略 比y方向上的大。而对于傍轴情形,在非傍轴标量高斯光束傍轴化条件下,TE矢量高斯光束的传输可简化为横基 模傍轴标量高斯光束,稍有区别的是其光束传输因子始终保持略大于1,且永远不能精确地等于1。     

矢量衍射理论的比较研究及标量近似的有效性

光束束腰与波长相比拟时,标量近似已不再成立.以高斯光束的微小圆孔衍射为例,对矢量衍射场的级数解、非傍轴近似解以及精确解进行了详细的数值计算和比较研究.结果表明,对受硬边光阑限制的非傍轴光束,级数展开法适用于处理光束在近场区域的传播,而非傍轴近似解则适用于处理非近场区域光束的传播,具有一定的互补性.讨论了高斯光束圆孔衍射标量近似的有效性,当高斯光束的束腰半径、衍射孔孔径大于几个光波波长时,标量衍射理论是精确、有效的.     

非傍轴衍射光束的传输特性

基于小衍射源和衍射远场的特点,简化了瑞利-索末菲标量衍射积分公式,并应用于分析非傍轴衍射光束的衍射远场总功率和光束传输因子特性。由于物理概念上的空间频谱的定义域局限在一定范围,基于此计算的非傍轴衍射光束的衍射远场总功率不满足能量守恒定律,基于此计算的非傍轴衍射光束的光束传输因子也与常识不符。当采用数学概念上的空间频谱分析上述特性时,两个符合常识的规律被重提,并以非傍轴基模高斯光束衍射远场总功率和光束传输因子的相对计算误差说明上述结论。     

平面近场测试高斯波束束腰半径的方法

高斯波束理论广泛应用于准光学、毫米波领域,束腰半径作为高斯波束最重要的参数,在工程应用中具有重要价值,有必要对其进行精确测量。提出了一种基于平面近场测试高斯波束束腰半径的方法,对准光学、毫米波装置的出射波束进行平面近场测试,根据采集的近场数据,反演远场方向图计算出束腰半径大小。进一步对近场电场数据进行高斯函数拟合及后处理,并利用高斯波束传输理论计算出束腰半径位置。本方法完全借用平面近场测试条件,通用性好,特别是解决了大口径装置束腰半径难以测试的难题。     

隧道级联半导体激光器的光束质量因子

运用波导模式理论和光束传输的非傍轴矢量矩理论,对隧道级联InGaAs/GaAs/AlGaAs半导体激光器的光束质量进行了理论研究.分析了隧道级联半导体激光器内限制层厚度和垂直方向光束质量因子的关系.结果表明,在隧道结耦合距离内,隧道结不仅起到了再生载流子的作用,也作为无源波导拓展了光场,减小了垂直发散角,降低了光束质量因子.根据模拟结果设计并制备了高光束质量,小垂直发散角的隧道级联耦合大光腔半导体激光器,其阈值电流密度为271A/cm2,斜率效率为1.49W/A,垂直发散角为17.4°,光束质量因子为1.11的半导体激光器     

标量衍射理论的非傍轴修正

当光束具有较大的发散角或光束束腰可与波长相比拟时,傍轴近似不再成立.用微扰级数法处理非傍轴光束的传播问题,数值计算发现,对受硬边光阑限制的光束,由于高频分量的贡献,当传输距离较大时,高阶级数解的修正效果不好,甚至失效,级数解的有效范围将受到很大限制.在标量衍射理论角谱表示的基础上,以平面波圆孔衍射为例,给出了衍射场的非傍轴修正解,得到的非傍轴修正解避免了级数解本身在数学上的发散性问题,并在一定条件下,可过渡到级数解,并且指出在近场或非傍轴区对傍轴解进行高阶修正的必要性和有效性.     

高斯波束对水中柱形粒子的声辐射力研究

根据级数展开理论,将入射高斯波束用柱函数展开,计算得到高斯波束的波束因子。根据声波辐射力理论,推导了水中位于高斯波束中心的柱形粒子在声场中的辐射力的解析表示式,对不同材料的柱形粒子在高斯波束作用下的声辐射力进行了数值模拟,讨论了高斯波束的束腰半径的变化对柱形物体所受声波辐射力的影响。仿真结果表明,高斯波束的束腰半径对声辐射力有影响,随着束腰半径的增大,位于波束中心的柱形粒子所受的声辐射力逐渐变大,当束腰半径远大于声波在水中的波长时,声辐射力的大小接近平面波声场的声辐射力。     

多光阑光学系统对ChG光束的变换

基于将硬边光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法,推导出了双曲余弦高斯光束(ChG)通过多个光阑近轴ABCD光学系统的递推传输公式,该公式可用来解析地研究光束通过硬边光阑光学系统的传输特性。给出了数值计算结果,并与直接对Collins公式积分的结果进行了比较,显示出使用解析公式有节约大量机时的优点。