圆形平顶高斯光束阵列在湍流大气传输中的M^2因子

应用Wigner分布函数的二阶矩定义和拓展Huygens-Fresnel原理研究了圆形平顶高斯光束阵列在湍流大气传输中的光束性质,得到其传输质量因子(M^2因子)的解析表达式,进行了相应的数值计算和模拟。结果表明:在湍流大气中传输时,圆形平顶高斯光束阵列的传输质量因子随传播距离、湍流大气结构常数的增大和束腰宽度的减小而增大;当光束阵列阶数一定,阵列个数不断增加时,其传输质量因子先保持不变,然后开始减小,最后不再减小而保持这个定值不变;当光束阵列的个数一定,阶数不断增加时,其传输质量因子减小,最后不再减小而保持不变。在自由空间中传输时,圆形平顶高斯光束阵列的传输质量因子保持不变。

激光光束传输因子M^2的一些问题

本文讨论与 M2 因子有关的一些问题 ,指出在近轴近似条件下由光束的二阶强度矩定义的 M2 因子满足 M2 ≥ 1 ,其中只有对基模高斯光束等式才成立 .由光束的功率通量值定义的 M2 因子 ( M2pc)有可能小于 1 ,M2pc的大小取决于所定义的光斑半径内包含的光功率的百分数 .通过计算光场的二阶矩 ,我们获得了轴向相干叠加的高斯光束的 M2

轴向相干叠加高斯光束的M^2传输因子

本文分别用标量叠加和矢量叠加的方法 ,对由两个束腰位置不同的高斯光束相干叠加而成的光束的传输特性进行了研究 ,结果表明 ,这种光束的传输因子M2 不再是常数 。

部分相干平顶光束在增益或损耗介质中传输的M^2因子

根据光束在介质中传输强度二阶矩计算公式,推导出部分相干平顶光束在增益或损耗介质中传输的M2因子解析表达式,并将高斯-谢尔模型光束在增益或损耗介质中的传输作为特例统一于一般表达式中。研究结果表明:部分相干平顶光束在增益或损耗介质中传输时的M2因子与光束传输距离、光束相干长度、光束阶数及介质的特性有关。光束在增益或损耗介质中传输的这种特性为应用和控制光束传输提供了理论依据。

受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气传输的M^2因子

为了研究受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中传输时质量因子的特性,基于拓展的惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,经理论推导得出受遮挡贝塞尔-高斯光束的解析表达式,并进行了相应的数值计算。结果表明,当遮挡物尺寸不大于0.4倍的腰宽时,受遮挡贝塞尔-高斯光束在湍流大气中的传输质量因子随传播距离、湍流大气结构常数的增大而增大,随着湍流内标量、光束拓扑荷数的增大而减小。在相同条件下,光束的传输质量因子随着遮挡物尺寸的增大而增大。所得结论对实际激光传输和自由空间光通信有一定的参考价值。

M^2因子概念和激光光束质量控制

本文对 M^2因子概念的物理意义和在激光光束质量控制中的应用作了详细分析,还就 M^2因子概念的推广和某些问题作了讨论。

克尔效应对高斯光束质量M^2因子的影响及抑制

用分步傅里叶方法计算了高斯光束在克尔介质中的传输过程,采用最小均方根办法对光场进行二项式曲线拟合得到光束质量因子,计算结果表明:当B积分在2rad以内,克尔效应越强则它对因子影响越大;同时,它的这种影响能力也受到光束宽度和光束腰平面到克尔介质的距离的两个因素的影响,即光束越宽,影响越小,距离越大,影响反而较小;最后,基于B积分的可叠加性,提出用具有负非线性折射率系数的非线性介质来补偿正克尔效应、降低光束因子,并指出两端补偿是最优的方式之一·

湍流大气中厄米-高斯光束M^2因子的变化

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和Wigner分布函数二阶矩的定义,推导出直角坐标系下大气湍流中部分相干光的M2因子传输公式。以厄米-高斯(H-G)光束为例,给出了H-G光束通过大气湍流传输后M2因子的解析表达式,并采用Tatarskii谱,详细讨论了M2因子的主要影响因素。结果表明,M2因子主要由光束的束腰宽度、波长、光束阶数、大气湍流的折射率起伏结构常数和在湍流中传输距离决定。随着光束阶数、折射率起伏结构常数及传输距离的增大,M2因子明显增大,光束阶数越高,湍流对M2因子变化的影响越小。对于给定的传输距离,存在最佳初始束宽,使M2因子最小。

H-S波前传感器在测量光束质量因子M^2中的应用

仿真研究了H-S测量2M因子等光束质量指标的全过程和可行性。结果表明,由H-S测量的圆形光束的2M因子值与原始光束的2M因子值基本相当,有很好的一致性。由此认为,H-S除了可以评价远场测量系统探测得到的光斑的各种量,比如PSF,OTF,衍射极限,环围能量等远场特性,而且还可以从2M因子来说明光束质量的特性。

截断平顶高斯光束M^2因子的比较研究

使用熵束宽、渐近分析和环围功率法对截断平顶高斯光束的束腰宽度w、远场发散角θ0和M2因子作了比较研究.结果表明:按不同束宽定义得到的截断平顶高斯光束的w、θ0和M2因子不同,且与截断参量a/ w0(a为光阑半宽度,w0为平顶高斯光束初始束腰宽度)有关.随a/ w0的增加,三种方法计算得到的w、θ0和M2都分别趋于某常量.

部分相干高斯光束的M^2因子及模系数

分析了以模式间相互独立的厄米 -高斯光束为基底的部分相干高斯光束。导出了部分相干高斯光束的模系数、权重因子和 M2因子的表达式 ,并讨论了各模式权重因子与 M2因子之间的关系。研究表明 ,只需要由实验测得光强分布便可确定部分相干高斯光束的模系数、M2因子和模结构。

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·

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。

部分相干双曲正弦高斯光束的M^2因子与湍流距离

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数方法,推导出了部分相干双曲正弦高斯(ShG)光束在湍流大气中M2因子的解析表达式。在此基础上研究了部分相干ShG光束的湍流距离,即湍流引起的光束扩展可忽略的范围。采用Von Karman谱分别对M2因子和湍流距离进行了数值计算,并分析了内外尺度的影响。研究表明:M2因子随束腰宽度和离心参数的增加存在极小值;湍流距离随束腰宽度的增加存在极大值,随离心参数的增加而增加,大气湍流对离心参数较大的光束影响较小。另外,M2因子和湍流距离与折射率结构参数、内尺度、外尺度、波长和相干参数等密切相关。

一台染料激光器光束质量因子M^2的测量

本文从激光光束质量因子 M2的定义出发 ,分析了 M2的物理意义 ,介绍了 M2的测量方法——二阶矩法 ,并采用 CCD摄像机及光束截面分析仪实际测量了一台染料激光器 DPL - 30 0 0输出激光的光束质量因子 M2 。

部分相干厄米-高斯光束在湍流大气中的M^2因子

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和Winger分布函数二阶矩的定义,推导出部分相干厄米-高斯(PCHG)光束在湍流中的M2因子的解析表达式,并进行了数值计算和分析.研究结果表明:湍流中PCHG光束的M2因子由光束的阶数、相干长度、束腰宽度、波长以及湍流的折射率起伏结构常数和传输距离来决定;随着光束阶数、大气湍流的折射率起伏结构常数以及传输距离的增大,以及光束相干长度的减小,PCHG光束在湍流大气中的M2因子明显增大;对于给定的传输距离,存在最佳初始束宽使大气湍流中PCHG光束的M2因子最小;完全相干厄米-高斯光束和高斯-谢尔模型(GSM)光束在大气湍流中的M2因子变化规律可以作为本文研究的特例.

2类典型偏振光束的非傍轴传输因子

运用非傍轴矢量矩理论 ,对 2类典型的偏振光束在非傍轴传输时的光束传输因子作了理论分析与数值计算。结果表明 ,在满足适当的条件时 ,光束传输因子可以小于 1 ,并且当这 2类偏振光束的二阶矩束腰相同且小于 0 5 4个波长时 ,存在相同的光束传输因子。该研究结果有助于加深对半导体激光束传输特性的认识。图 3参

对“部分相干高斯光束的M^2因子及模系数”一文的评论

指出了发表于《强激光与粒子束》刊 2 0 0 0年 1 2卷 6期由楚晓亮、张彬所写“部分相干高斯光束的 M2因子及模系数”(简称楚文 )一文中的错误并作了物理分析。首先 ,楚文没有什么新的结果 ,因为同样的方法和同样的结果可在《Opt.Lett.》1 998年 2 3卷 1 3期和《Appl.Opt.》1 999年 38卷 2 5期中查到。再者 ,在楚文中未对如何唯一确定束腰尺寸 v0 和如何产生他们所提出与文献 [2 ,3](文献 [3]发表于《IEEE J.Quant.Electron.》1 999年 35卷 6期 )不同的部分相干高斯光束作任何物理解释 ,甚至连“设束腰尺寸 v0 已知”的话也未提及 ,因此从楚文会导致错误的结论。

部分相干平顶光束的M^(2)因子、模分解及合成

推导出以模式间相互独立的厄米 高斯光束为基底的部分相干平顶光束的模系数和M2 因子的解析式,对部分相干平顶光束的模分解及合成进行了研究。研究结果表明,随着光束阶数M及表征光束相干性的参数w0 /ν0 的增加,基模的份额减小,M2 因子增大。采用模式间相互独立的厄米 高斯光束叠加的方法合成部分相干平顶光束的光强矩形分布与光束M2 因子二者无法同时兼顾,即若要求空间分布非常接近矩形,则光束的M2 因子较大,若要求光束的M2 因子较小,则只能降低对光强矩形分布的要求。在实际工作中,可以通过选择恰当的基底基模高斯光束的束腰尺寸以及控制各模式的光功率,由模式间相互独立的厄米 高斯光束合成部分相干平顶光束。