离轴平顶高斯涡旋光束形成的合成光涡旋及其在自由空间中的传输

对两束拓扑电荷m_1,2=±1的平行、离轴平顶高斯涡旋光束在束腰面叠加形成的合成光涡旋及其在自由空间的传输做了研究.详细的数值计算和分析表明,合光涡旋的位置、数目和净拓扑电荷与光束的控制参数,包括相对位相,振幅比,束腰宽度比,相对离轴参数,光束阶数,以及传输距离有关,但拓扑电荷不总是守恒. 关键词： 奇点光学 合成光涡旋 平顶高斯涡旋光束 拓扑电荷     

部分相干涡旋光束形成的相干涡旋特性研究

推导出部分相干涡旋平顶光束的传输解析公式,并用以研究了聚焦场和自由空间中部分相干涡旋光束形成相干涡旋的特性.结果表明,相干涡旋与光束阶数N,空间相干参数α和参考点位置(x1,y1)有关.依赖于参考点的选择,光谱相干度可能存在零值点,也可能没有零值点.特别是,若选取x1=y1=0,光谱相干度零值点处的位相可以是确定的,因而不存在相干涡旋.     

部分相干双曲正弦-Gauss涡旋光束叠加形成的合成相干涡旋在非 Kolmogorov 大气湍流中的动态演化

一些实验表明, 实际大气会偏离理想Kolmogorov模型. 本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Toselli等提出的非Kolmogorov湍流模型, 推导出部分相干双曲正弦-Gauss (HSG)涡旋光束通过非Kolmogorov大气湍流的解析传输公式, 并用以对两束部分相干HSG涡旋光束相干叠加和非相干叠加形成的合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中的动态演化进行了研究. 结果表明, 合成光束平均光强的演化过程与非Kolmogorov湍流的广义指数α, 源平面上叠加涡旋光束拓扑电荷的符号, 以及叠加方式有关. 合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中传输时会出现移动、产生和湮灭. 广义指数α, 拓扑电荷符号, 以及叠加方式都会影响其演化行为. 最后, 将本文所得结果与相关文献做了比较.     

部分相干涡旋光束在大气湍流中的远场传输特性

运用广义惠更斯-菲涅耳原理,详细研究了部分相干涡旋光束在湍流介质中的远场传输规律.研究表明,部分相干涡旋光束的光谱相干度及光强分布与光束的拓扑电荷数、空间相对相干长度及湍流介质的折射率结构常数等因素有关.在湍流介质中,光谱相干度存在相位奇点,并且随着空间相对相干长度的增大,相干涡旋逐渐演化为强度涡旋,而湍流介质的强弱对部分相干涡旋光束的影响则相反,随着湍流介质的折射率常数的增大,强度涡旋逐渐演化为相干涡旋.     

相干和非相干合成光束对金属瑞利粒子的光学俘获

研究了两光束的合成方式(相干和非相干合成)对俘获金属瑞利粒子的辐射力和稳定性的影响,着重研究了辐射力与合成方式、离轴距离、相干参数和粒子半径的关系.结果表明,不同合成方式下,离轴距离和相干参数都分别存在临界值d_c和α_c,在0d_c或α>α_c时,焦面处光强呈中心凹陷分布,此时横向梯度力不能作为回复力俘获金属瑞利粒子.在0<d≤d_c时,与非相干合成光束比较,相干合成光束在焦面处光强、辐射力、俘获刚性和纵向俘获范围更大.因此,适当选择合成方式,较小离轴距离和较低相干参数可有利于合成光束对金属瑞利粒子的俘获.     

非傍轴部分相干厄米-高斯光束的相干和非相干合成

推导出二维非傍轴部分相干厄米-高斯（H-G）光束相干合成和非相干合成的交叉谱密度和光强的解析公式,并分析了一些特例. 合成光束的光强不仅决定于f参数,f_σ参数,离轴参数,合成光束的束数和阶数以及传输距离z,而且还决定于合成方式. 对部分相干光的相干合成和非相干合成概念做了物理诠释,其正确性为数值计算例证实. 关键词： 部分相干光的相干和非相干合成 非傍轴部分相干厄米-高斯（H-G）光束 自由空间中的传输方程     

贝塞尔-高斯涡旋光束相干合成研究

基于相干合成技术,提出了对特定离散空间分布的高斯光束阵列加载离散涡旋相位生成二阶贝塞尔-高斯(Bessel-Gaussian,BG)涡旋光束的方案.利用干涉法、桶中功率和相关系数对合成BG涡旋光束的拓扑荷、光束质量进行了定量评价及参数优化.结果表明:基于相干合成技术能够产生特定的目标BG涡旋光束,阵列子光束紧密排布时合成BG光束的光束质量更高.该方法的提出对于其他涡旋光束的产生或者涡旋光束功率的提高具有一定的参考意义.     

湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响

研究了湍流对离轴列阵高斯光束相干与非相干合成的影响.推导出了相干合成光束的传输方程.采用二阶矩束宽、桶中功率和参数β作为光束质量评价参数比较了离轴列阵高斯光束通过湍流大气的相干与非相干合成,并对主要结果给予了合理的物理解释.研究表明：一方面,不论是相干合成还是非相干合成,湍流都使得合成光束扩展、峰值光强下降,并且子光束数越多,合成光束受湍流影响就越小.另一方面,非相干合成光束较相干合成光束受到湍流的影响要小. 关键词： 相干与非相干合成 湍流大气 离轴列阵高斯光束     

部分相干涡旋光束传输中的光斑分析

在近轴光束近似条件下,采用交叉谱密度传输公式推导了 部分相干涡旋光束传输一段距离后观测平面上交叉谱密度矩阵元的解析表达式, 在此基础上对观测平面上的光强分布进行了分析.研究表明, 和完全相干涡旋光束不同,部分相干涡旋光束传输后光斑中心点的光强会逐渐凸现出来, 随着传输距离的增加,观测平面上的光强会逐渐演变为类似高斯型分布的特性. 这种演变规律与源平面上光源的拓扑电荷数和相干长度有关, 在其他参数不变的情况下,拓扑电荷数越小,相干长度越短, 演变为高斯型光斑的速度越快.最后针对一阶部分相干高斯涡旋光束, 通过观测平面上光强极值研究,对光斑随传输距离演变的过程进行了详细的分析, 在理论上对这种演变规律给出了严格的证明.     

聚焦部分相干涡旋光束的传输和相干特性

根据部分相干光的传输理论,研究了部分相干高斯-贝塞尔涡旋光束通过光阑透镜聚焦后的传输和空间相关性质.数值计算结果表明,涡旋暗核的大小和焦平面上的光谱相干度都取决于入射光的拓扑电荷n、截断参量δ、相对相干长度σg和参量α.当选择适当的参量,在几何焦点附近会出现局域空心光束.研究还发现在焦面上光谱相干度会产生一个或多个的相位奇点(相干涡旋),而且拓扑电荷和相对相干长度会对相干涡旋的位置和个数产生影响.在相干极限下,相干涡旋可逐渐演变为光学涡旋.     

Composite coherence vortices and their propagation in free space

Taking Gaussian Schell-model (GSM) background vortex beams as an example of partially coherent vortex beams, the composite coherence vortices resulting from the superposition of the cross-spectral density function of two parallel, noncollinear partially coherent vortex beams and their propagation in free space are studied, and the main attention is paid to the effect of relative off-axis distance, coherence parameter and propagation distance on the composite coherence vortices. The number and location of composite coherence vortices vary by changing the relative off-axis distance, coherence parameter or propagation distance. In the coherent limit, the composite coherence vortex becomes the composite optical vortex.     

Study correlation vortices in the near-field of partially coherent vortex beams diffracted by an aperture

We have derived the analytical expression of the electric cross-spectral density in the near-field of partially coherent vortex beams diffracted by an aperture. Taking the Gaussian Schell-model vortex beam as a typical example of partially coherent vortex beams, the spatial correlation properties and correlation vortices in the near-field of partially coherent vortex beams diffracted by a rectangle aperture are studied. It is shown that the off-axis displacement, spatial degree of coherence parameter, propagation distance, and the opening factor of the aperture affect the spectral degree of coherence and positions of correlation vortices. With the optimization algorithm, we obtain the symmetric distributing coherent vortex.     

Composite optical vortices in two noncollinear cosh-Gaussian vortex beams and their propagation properties in free space

The composite optical vortices (OVs) formed by superimposing two parallel, noncollinear cosh-Gaussian (ChG) vortex beams at the waist plane and their propagation in free space are studied. The dependence of the number, position and net topological charge of composite OVs on the control parameter, such as the relative phase, amplitude ratio, waist-width ratio, relative off-axis distance and decentered parameter, and on the propagation distance is illustrated numerically. A comparison with the previous work is also made.     

Partially coherent vortex beams propagation in a turbulent atmosphere

Based on the Rytov approximation and the cross-spectral density approximation for the mutual coherence function of the partially coherent field, the propagation properties of the partially coherent beams with optical vortices in turbulent atmosphere are discussed. The average intensity and the mutual coherence function of the partially coherent vortex beams propagation in weak turbulent atmosphere are obtained.It is shown that the vortex structure of the average cross-spectral density of partially coherent beams has the same helicoidally shape as that of the phase of the fully coherent Laguerre-Gauss beams in free space and the relative intensity of the beam is degraded by optical vortex.     

双曲余弦高斯涡旋光束的远场特性研究

运用电磁光束的角谱法和稳相法, 推导出双曲余弦高斯(ChG) 涡旋光束的TE波和TM波在自由空间远场传输和能流密度的解析表达式, 用以研究了ChG涡旋光束在远场中的位相奇点和能流密度分布特性. 结果表明, 改变ChG 涡旋光束中的离心参数或束腰宽度, 位相奇点的密度、位置会发生变化. 涡旋离轴量的变化会导致能流密度分布的不对称性. 当离心参数增大时, 原点周围黑核会向原点中心移动. 关键词： 双曲余弦高斯涡旋光束 位相奇点 能流密度     

两束离轴高斯光束干涉场中的横向光涡旋

研究了两束离轴高斯光束干涉场中的波前结构以及横向光涡旋.研究表明干涉场中的相位鞍点以及涡旋点的位置与光束的离轴参数、束腰宽度、相位以及相对振幅有关.相位鞍点既可位于涡旋点的内侧，也可以位于涡旋点的外侧，且控制参数取一定值时，相位鞍点将与涡旋点重合.对于离轴光束，XZ平面两侧的相位鞍点与涡旋点相遇时所对应的控制参数并不相同，且XZ平面上相位鞍点相遇时所对应x值，一般情况下与涡旋点相遇时所对应的x值不相同.     

Composite optical vortices in noncollinear Laguerre--Gaussian beams and their propagation in free space

Taking two Laguerre-Gaussian beams with topological charge 1 = ±1 as an example, this paper studies the composite optical vortices formed by two noncollinear Laguerre-Gaussian beams with different phases, amplitudes, waist widths, off-axis distances, and their propagation in free space. It is shown by detailed numerical illustrative examples that the number and location of composite vortices at the waist plane are variable by varying the relative phase β, amplitude ratio η, waist width ratio ξ, or off-axis distance ratio μ. The net topological charge lnet is not always equal to the sum lsum of charges of the two component beams. The motion, creation and annihilation of composite vortices take place in the free-space propagation, and the net charge during the propagation remains unchanged and equals to the net charge at the waist plane.     

Coherence vortex evolution of partially coherent vortex beams in the focal region

Taking Gaussian Schell-model vortex beams as an example of partially coherent vortex beams, we study the evolution and subwavelength structures of coherence vortices in the focal region. The dependence of coherence vortices on the truncation parameter δ, the normalized coherence length ε and the topological charges m is illustrated numerically. It is found that during the evolution process the innermost m coherence vortices and the saddle points near the coherence vortices always remain in the focal plane.