几种描述光束傍轴性定义的比较研究

以平顶高斯光束为例,对光束傍轴度3种定义,即傍轴估计量、傍轴度和傍轴度修正式做了解析研究和计算分析。结果表明,当束腰宽度与波长之比很小时,三者存在显著差异,傍轴估计量会导致非物理结果。而对实际应用中感兴趣的束腰宽度与波长之比取中间值情况,傍轴度和傍轴度修正式得出类似的结果。因此,傍轴度和傍轴度修正值都可以用来描述光束的傍轴性。

非傍轴厄米-高斯光束及其高阶修正

使用级数修正公式研究了非傍轴厄米 高斯光束的传输。用数值计算例子说明了修正公式的适用范围。结果表明 ,在束宽可与波长相比时 ,修正公式是发散的 。

小尺度自聚焦理论的非傍轴修正

从原始的非傍轴传输方程出发 ,研究了光束的非傍轴效应对小尺度自聚焦现象的影响 结果是 ,非傍轴效应对不稳定区间的截止频率没有影响 ,但使最快增长频率增大 ,最大增长率减小 同时 ,由于非傍轴的影响出现了一个新的增益区间 ,在该区间里 ,增益远远大于在原区间里的增益 ,但是 ,随着背景光强的增大 。

非傍轴截断平顶光束的质量因子

使用功率密度的二阶矩方法和Li提出的平顶光束模型,推导出了非傍轴截断平顶光束的束腰宽度、远场发散角和光束质量因子的解析表达式。计算结果表明:非傍轴截断平顶光束的质量因子不仅与截断参数、光束阶数有关,而且与初始束腰宽度和波长之比有关;当截断参数趋近于0时,远场发散角趋于渐近值63.435°;对于光束阶数为1和截断参数趋于无穷大的特例,计算结果分别退化为非傍轴截断高斯光束和非傍轴无截断平顶光束的结果;功率密度的二阶矩方法可用于截断光束,并克服了光束质量因子的发散困难。

微小孔非傍轴衍射光束传输特性的研究

基于非傍轴标量光束横截面上光强的精确定义,对桶中功率和二阶矩定义的光束束宽、远场发散角和M2因子等进行了比较研究.以平面波的微小圆孔衍射光束为例,进行了详细的数值计算.结果表明,桶中功率定义的光束束宽、远场发散角和M2因子较二阶矩定义的小,两种定义的M2因子都随束腰趋于零而趋向于零,桶中功率定义的光束束宽的传播规律与双曲线存在一定偏差.

非傍轴双曲余弦-高斯脉冲电磁光束远场特性

利用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出了非傍轴部分空间相干部分光谱相干双曲余弦-高斯(ChG)脉冲电磁光束在自由空间传输时交叉谱密度矩阵的远场解析公式,并用来表示脉冲电磁光束的光谱密度(光强)和偏振度。结果表明,对非傍轴远场部分空间相干部分光谱相干ChG脉冲电磁光束,其非傍轴性主要由参数f,fαα决定,而离心参数、脉冲宽度和时间相干长度影响其非傍轴行为。非傍轴部分空间相干部分光谱相干高斯-谢尔模型脉冲电磁光束的远场传输可作为特例处理。

非傍轴标量衍射光束的能量传输特性

在光束能量传输的分析中,对能量集中度的研究具有十分重要的意义,能量集中度是评价光束质量的手段之一。采用光强的精确定义给出了经圆孔衍射的非傍轴标量光束能量集中度η的精确积分表示。对平面波圆孔衍射的能量集中度η随着衍射孔径ρ_0和传播距离z的变化进行了详细的数值计算,结果表明,η随着z的增加只是在特定条件下才单调减小,η随着ρ_0的增加不是单调变化,ρ_0取某个特定的孔径值时η取得极大值。根据该结果给出了通过控制参数ρ_0和z的取值获得光斑最大能量或最大能量集中度的方法。

非傍轴双曲正弦高斯光束质量因子M^2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。

自由空间中超短脉冲光束的非傍轴效应分析

在应用时间与空间傅里叶变换的基础上,运用泰勒展开的方法,得出了一种对多周期超短脉冲光束进行非傍轴修正的方法, 并将其应用于脉冲高斯光束.与数值结果的比较表明,对于束宽在波长量级的脉冲光束,二阶修正已经很接近非傍轴精确解,并在例子中观察到:由于超短脉冲光束中时空耦合效应的存在, 脉冲的时间分布将会影响修正的空间分布.

非傍轴贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输

从瑞利索末菲衍射积分出发,推导出任意阶非傍轴贝塞尔高斯光束在自由空间传输的解析表达式.非傍轴贝塞尔光束和非傍轴高斯光束等的传输方程都可以作为本文一般结果的特例而得出.物理分析和数值计算表明,当高斯和贝塞尔部分的横向尺度与波长相比拟或小于波长时,应当用非傍轴方法处理.

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。

空间非傍轴激光束在非线性克尔介质中的相互作用

对于非线性克尔介质中的非傍轴双脉冲激光束的传输 ,通过数值求解修正的非线性Schro¨dinger方程发现 :当入射光强度在一定的能量阈值以上 ,入射光束的间隔达到一定值时 ,空间双脉冲激光束在传输过程中会发生相互作用 这种相互作用不同于一般傍轴激光束之间的相互作用 ,它的作用效果以一束很小的分束光的形式表现出来 文中对这种相互作用的效果进行了报道 。

截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的远场特性

基于瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出截断非傍轴双曲余弦-高斯光束在自由空间传输的解析表示式,分析了一些特例,并引入非傍轴范畴的桶中功率概念,用以描述非傍轴光束的远场光束质量。结果表明:截断非傍轴双曲余弦-高斯光束的光强和桶中功率不仅与束腰宽度与波长之比、偏心参数及截断参数有关,而且桶中功率还与桶的尺寸有关。在一定的范围内,较大的束腰宽度与波长之比,截断参数和较小的偏心参数使光束有更好的聚焦特性,表现出更好的光束质量。

非傍轴截断双曲余弦高斯光束的M^2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ω0／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。

非傍轴平顶高斯光束M^2因子两种定义的比较研究

基于功率密度的二阶矩方法,推导出了非傍轴平顶高斯(FG)光束束宽和远场发散角的解析表达式·研究表明,当w0/λ→0时,远场发散角趋于渐近值θmax=63.435°,与阶数无关·使用非傍轴高斯光束代替傍轴高斯光束作为理想光束,研究了非傍轴FG光束的M2因子,并与传统定义的M2因子作了比较·在非傍轴范畴,非傍轴FG光束的M2因子不仅与阶数N有关,而且与w0/λ有关·按照定义,当w0/λ→0时,非傍轴FG光束的M2因子不等于0,对阶数N=1,2,3时,M2因子分别趋于0.913,0.882和0.886·当N→∞时,M2因子取最小值M2min=0.816·

矢量非傍轴双曲余弦-高斯光束

引入了矢量非傍轴双曲余弦-高斯(ChG)光束概念。使用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式推导出了矢量非傍轴ChG光束在自由空间传输的解析公式。矢量非傍轴ChG光束轴上和远场的解析式以及傍轴结果作为一般传输公式的特例给出。研究表明,对矢量非傍轴ChG光束,其非傍轴性主要由f参数决定,但偏心参数会影响其横向光强剖面形状和非傍轴行为。

非傍轴厄米-高斯光束多重径向阵列光束的传输特性

基于瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出非傍轴厄米-高斯光束多重径向阵列相干和非相干合成光束在自由空间中的传输解析式,对它们在自由空间的传输特性进行了解析和数值研究。重点研究了阵列几何排布P×Q,非傍轴参数f和光束模式数m对相干合成桶中功率(PIB)的影响。结果表明,相干和非相干合成P×Q径向阵列光束远场轴上光强分布分别是单束光的P2Q2和PQ倍,PIB值随f参数和光束模式数m的减小而增加。当桶宽较小时,PIB随P(P<Q)增加而增加。

非傍轴矢量高斯光束的光强表示

基于瑞利-索末菲衍射积分,未使用任何近似,对非傍轴矢量光束的两种光强表示式,即传统光强公式和时间平均坡印廷矢量的z分量进行了研究。对非傍轴矢量高斯光束详细数值计算结果的比较表明,两种表示式之间的差异,即两者的相对误差与束腰宽度及传输距离和波长的比值有关。对非傍轴矢量高斯光束,若传输距离与波长的比值为10,束腰宽度与波长的比值大于等于0.8,则最大相对误差不到1.5%。因此,传统光强公式是可用的。

非傍轴高斯光束通过小孔光阑衍射的轴上光强

基于瑞利衍射积分,不使用通常的近似Rλ(λ为波长),推导出非傍轴高斯光束通过小孔光阑衍射的轴上光强的精确解析表达式。并对传统的光强定义和光强的精确表述进行了比较研究。结果表明,两种定义之间的差异与f参数,截断参数δ和传输距离z有关。

非傍轴旋转对称拉盖尔-高斯光束的远场发散角

基于功率密度的二阶矩方法,推导出了非傍轴旋转对称拉盖尔-高斯(LG)光束远场发散角的解析公式,并表示为伽玛函数的幂级数求和形式。计算结果表明,当初始束腰宽度和波长之比w0/λ趋于0时,对任意非傍轴旋转对称LG光束,远场发散角趋于渐近值63.435°,与阶数无关。对于p=0的特例,则退化为非傍轴高斯光束的结果。