Changes of super-Gausian beams upon propagation

为说明超高斯光束的传输特性，以及光强（振幅）分布的位相的变化，进行了大量数值计算。还研究了超高斯光束通过近轴光学系统时，保持其形状和阶数不变的条件。     

贝塞尔高斯光束经菲涅尔波带片产生特殊聚焦光强分布

基于衍射光学方法,研究了不同阶数的贝塞尔高斯光束经过环形菲涅尔波带片后,在波带片的焦点附近所形成光强分布。入射光束为高阶贝塞尔高斯光束,聚焦区域获得了空心光强分布,入射光束的阶数越高,空心尺寸越大;菲涅尔波带片的数目越多,空心长度越短。入射光束为零阶贝塞尔高斯光束,在聚焦区域获得了针形光束和局域空心光束。这些具有特殊光强分布的光束在激光加工以及粒子囚禁等领域有着潜在应用价值。     

超高斯光束传输中的变化

为说明超高斯光束的传输特性,以及光强(振幅)分布的位相的变化,进行了大量数值计算。还研究了超高斯光束通过近轴光学系统时,保持其形状和阶数不变的条件。     

贝塞尔-高斯光束经球差透镜的聚焦特性

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分推导了一种涡漩光束——贝塞尔-高斯光束经球差透镜聚焦后的光场表达式,并利用数值计算分析了球差系数对聚焦光束光强剖面分布的影响。研究表明,通过改变球差系数,可以改变零阶贝塞尔-高斯光束轴上光强最大值点的位置,球差的存在使轴上光强最大值减小。零阶贝塞尔-高斯光束经球差透镜聚焦后不能保持其传输不变性,在几何焦面上光强剖面类似于高斯形分布,而实际焦点所在面上的分布则仍具有零阶贝塞尔函数的特征。对于一阶贝塞尔—高斯光束,球差的存在会改变其横向光强分布。     

椭圆平顶高斯光束的聚焦特性

用张量方法定义了三维不可分离变量的椭圆平顶高斯光束(EFGB),通过级数分解法把EFGB分解成多个椭圆厄米-高斯模(EHGB)的叠加形式,利用椭圆厄米-高斯模的传输公式导出了EFGB通过非轴对称光学系统的传输公式,该公式和直接用矢量积分方法得出的结果是等效的.利用导出的公式,我们研究了EFGB通过轴对称透镜和非轴对称透镜的聚焦特性.结果表明,EFGB通过轴对称透镜和非轴对称透镜的聚焦后光强演化的规律不同.EFGB聚焦后,近场光强分布变化很快,特别是焦点前后,同时光强分布会发生旋转.结果还表明,不同阶次的EFGB经过透镜后的光强演化的快慢不同,阶次大的变化较慢.另外,轴上相对光强分布也跟阶数有关.(PG1)     

高斯光束焦深分析

对聚焦激光光束焦深的不同定义作了比较分析，并对基摸高斯光束的光强分布作了数值计算，作出了等光强分布曲线．同时对高阶模情况也作了一定分析．对不同情况下激光光束焦深的合理选用进行了讨论．     

超高斯光束经有方环光阑透镜的传输特性

本文详细研究了超矿山斯光束经有方环光阑透镜的传输特性,讨论了遮拦比、球差和超高斯光束的阶数对光强分布的影响。研究表明,使用负球差聚焦透镜可获得比无球差透镜在实际焦面上可聚焦性更好、能量更集中的光束。     

部分相干光束的聚焦特性

基于部分相干光的传输方程,研究了光强为高斯分布、空间相干度函数为零阶贝塞耳函数的部分相干光束的聚焦特性。研究结果表明,在几何焦点附近的光强分布不仅依赖于入射的部分相干光束的光强分布,而且还依赖于部分相干光束的空间相干度。当空间相干长度、焦距等参数取某些特定值时几何焦点附近的光强分布将出现平顶光束的分布形式;另外,当空间相干长度取值改变时几何焦点附近的光强分布将出现局域空心光束的分布形式。基于此,可以通过改变部分相干光束的空间相干度来实现对几何焦点附近光强分布的控制,从而获得需要的光强分布。     

分数阶无衍射光束的实验研究

实验研究了轴棱锥聚焦分数阶涡旋光束获得分数阶贝塞尔光束。研究结果表明：当分数阶涡旋光束通过轴棱锥聚焦后,获得的分数阶贝塞尔光束其横截面上的光强分布具有高阶无衍射贝塞尔光束的特点;在轴棱锥后的最大准直距离内,光斑的形状基本保持不变,即呈现出很好的无衍射传输特性;另外还研究了轴棱锥角度改变对分数阶贝塞尔光束的影响,实验结果表明,轴棱锥的角度越大时,横截面光强图中的中心空心越小。     

菲涅耳透镜的衍射特性及误差分析

对均匀平面波、高斯光束和超高斯光束入射下菲涅耳透镜的衍射场在轴上和焦平面上的光强特性进行了研究，比较了它们之间的不同之处；分析了高斯、超高斯光束的束腰半径、位相误差和阶数对衍射场的影响。研究发现均匀平面波入射时，无论是轴上光强分布还是焦平面上的光强分布，都具有类似sinc函数的特征；而高斯／超高斯光束入射时，轴上的光强分布曲线相对较为平坦；高斯／超高斯光束入射时，随着超高斯光束的阶数增加或着束腰半径减小菲涅耳透镜的聚焦能力呈降低趋势；位相误差将使衍射场出现了多焦现象，这些焦点处的光强随着位相误差的增大而呈现增大的趋势，且正误差比负误差带来的影响更大。     

像散透镜对双曲余弦-高斯光束参量的影响

为了进一步研究双曲余弦-高斯光束的特性,从广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式出发,对双曲余弦-高斯光束通过像散透镜后的光束参量,例如束宽和远场发散角的相对误差作了研究.结果表明,束宽和远场发散角的相对误差与像散因子C2,偏心参量α,瑞利长度z0以及透镜焦距f等有关.几何焦面上x和y方向束宽的相对误差与像散系数C2和偏心参量α变化相同,而在像方束腰处两方向相对误差变化迥异.此外,束宽的相对误差还与传输距离z有关.因像散影响,在x和y方向远场发散角一般不相等,并且还与偏心参量α有关.     

超高斯光束经光阑球差透镜后的光束质量评价

以桶中功率(PIB)、β参数和η参数为激光光束质量评价参数,对超高斯光束经有方环光阑球差透镜后的光束质量作了详细的研究。大量数值计算和物理分析表明,超高斯光束经有方环光阑透镜后的光束质量与方环遮拦比、透镜球差和超高斯光束的阶数等因素有关。采用适当的负球差透镜,在实际焦面上可得到最大的PIB,η值和最小的β值,从而获得比无球差透镜更好的光束质量,甚至使β1。     

部分相干双曲正弦-高斯光束的传输和聚焦特性

为了研究部分相干双曲正弦-高斯(SHG)光束通过像散透镜的传输和聚焦特性,利用部分相干光的传输公式,推导了光束通过像散透镜后光强分布解析的表达式,并据此得到了光束束腰宽度、远场发散角和M2因子的解析表达式,并对光束强度分布和束腰宽度进行了数值计算和分析。结果表明:部分相干ShG光束聚焦的光强分布与像散系数C6,空间相干参数,离心参数a,菲涅耳数Nw和位置(x,y,z)有关。像散导致x和y方向束宽不同。但M2因子与像散无关,并随相干性的增加和离心参数的减小而减小。适当改变像散和空间相干性,在几何焦面和其它位置可实现部分相干ShG光束的空间整形。     

余弦平方-高斯光束的双焦开关和焦平面

为了研究余弦平方-高斯光束通过无光阑透镜后的聚焦特性,采用Collins公式推导了聚焦余弦平方-高斯光束轴上光强分布公式,并利用空间2阶矩法求得光束束腰宽度的解析表达式。通过数值方法研究了轴上光强的双焦开关现象和由束腰所在焦平面的焦移现象,得到了这两种现象随光束参量b、相对入射距离s'及菲涅耳数NF的变化关系。结果表明,只有b1时才出现双焦开关现象,而实际焦平面在s'≠1时存在焦移。     

激光空间整形实现直接驱动惯性约束聚变球靶均匀辐照

在保持间接驱动光束排布结构及束数不变的条件下,通过对各路入射光横截面强度分布进行调整,消除多光束叠加后球靶表面光强大尺度的不均匀性。建立了描述球靶表面多光束叠加分布的计算机模拟平台。根据光束入射条件,计算出多束光在靶面叠加后的光强分布及其不均匀度。利用加权平均的思想,得出实现均匀强度叠加所需要的各入射光焦面强度分布状态。根据激光传输理论,计算出可实现球靶均匀辐照的进入靶室聚焦透镜之前的光电场分布。     

受限衍射对激光束扫描系统分辨率的影响

对受限衍射高斯光束的传输和激光束扫描系统的线分辨率进行了详细的理论分析.在不同孔径圆孔的限制下,对扫描物镜焦面上的衍射光场分布进行了数值计算,并利用二阶矩统计的方法对焦面上的等效光斑半径进行数值计算,将其与不受限时的理想情况进行对比,分析孔径尺度对激光束扫描系统分辨率的影响.结果表明:受限衍射使激光束扫描系统的分辨率下降,但随着孔径尺度的增加,这一影响逐步变小,当圆孔半径l≥2ω时,可忽略高斯光束衍射对扫描分辨率的影响.得到的这些结论可对激光束在精密扫描、全光通信和集成光学等的应用提供一些有益的帮助.     

高斯光束经波长级圆孔衍射的轴上光强特性

基于横截面上精确表述的光强和精确的衍射场公式 ,对高斯光束经波长级圆孔衍射的轴上光强特性进行了研究。结果表明 ,高斯衍射光束的轴上光强特性取决于初始高斯半宽度w0 和波长级圆孔的孔径R。对于w0 /R≥ 1的高斯衍射光束 ,轴上光强存在的极值个数和出现的位置仅由比值m=2R/λ决定 ,最大的轴上光强均出现在N =R2 / (λz) =1的地方 ;至于轴上光强极值的峰和谷明显与否 ,取决于w0 /R的比值 ,比值越大 ,轴上光强极值的峰和谷就越明显。当w0 /R的比值足够大时 ,就趋向于平面波入射时的情形。而对于w0 /R<1的这一类高斯衍射光束 ,轴上光强存在特定的演化规律 :随着初始高斯半宽度的减小 ,轴上光强极值个数逐步减少直至全部消失。     

平顶多高斯光束通过ABCD光学系统的传输特性

利用广义惠更斯一菲涅耳衍射积分公式,研究了平顶多高斯光束通过ABCD光学系统的传输特性,推导出光强分布的解析式.以透镜系统为例,给出了平顶多高斯光束聚焦场轴上的和焦面处的光强分布表达式,并对其光强分布进行数值计算及分析.研究结果表明,平顶多高斯光束的聚焦特性与阶数N以及透镜系统的菲涅耳数Nw等有关,随着平顶多高斯光束的阶数N的增大或透镜系统的菲涅耳数Nw增大,轴上和焦面上的光强迅速增大、聚焦光斑减小、焦移量迅速减小.     

贝塞尔高斯径向偏振光束在衍射光学元件调制下多光球的产生

基于Richards－Wolf的矢量衍射积分公式,研究了贝塞尔高斯径向偏振光束在衍射光学元件(Diffractive optical elements, DOE)的调制下入射到由 两个相同高数值孔径透镜组成的4pi聚焦光学系统中的聚焦特性。由于DOE不同环之间相互干涉的原因,出现不同于原贝塞尔高斯径向偏振矢量光束的新聚焦特性。数值模拟结果显示贝塞尔高斯径向偏振光束经过此光学系统后,在焦点附近产生沿光传播方向的多个光球,其光球的个数与DOE的环数以及不同环的大小有关。若调节4pi聚焦系统两侧入射光束的整体相对相位还可以实现多个光球整体沿纵向方向的移动,实现了亮光链的作用,这对于矢量光束应用在光学显微镜、光存储和粒子操控等方面具有十分重要的意义。