惠更斯-菲涅耳原理的定量化

介绍了在旧的波动理论框架中把惠更斯-菲涅耳原理发展成定量原理的方法,并进一步把此原理表述成与瑞 利-索末菲衍射公式几乎一样的形式,并把此原理写成适合于描述粒子的几率幅的形式.

定量惠更斯——菲涅耳原理

在保留次波假说和次波相干叠加原理的前提下,把惠更斯—菲涅耳原理发展成为定量的原理,并给出这个原理的适用条件。指出次波振动源的位相比同一位置的光振动的位相超前π/2。用此原理推出了菲涅耳圆孔和圆屏衍射现象中轴线上的光振动公式,给出了使这种衍射现象清晰明显的条件。圆满地解释了夫琅和费圆孔衍射。

高斯-贝塞耳光束在湍流大气中的传输特性

根据广义惠更斯-菲涅耳原理,推导高斯-贝塞耳光束在湍流大气中传输时光强分布变化规律的理论公式.研究高斯-贝塞耳光束在湍流大气中的传输特性,讨论湍流扰动强弱及拓扑荷数大小对其传输特性的影响.研究结果表明,湍流扰动强弱及拓扑荷数的大小都会影响光束的传输特性.当拓扑荷数相同时,湍流扰动越强,则光强分布变化越快;当湍流扰动相同时,光强分布变化速度随拓扑荷数的增大而减小.

厄米-余弦-高斯光束的传输特性

从广义惠更斯 菲涅耳衍射积分出发对厄米 余弦 高斯光束的传输特性作了研究,给出了厄米 余弦 高斯光束通过近轴ABCD光学系统的解析传输公式,以厄米 余弦 高斯光束通过自由空间和薄透镜系统为例做了数值计算和分析,结果表明厄米 余弦 高斯光束在自由空间传输时不能保持其形状不变。厄米 双曲余弦 高斯光束、余弦 高斯光束、厄米 高斯光束的传输公式可作为厄米 余弦 高斯光束的特例得出。

像散厄米-高斯光束的对称化和相关问题的研究

从比较两种对称化光学系统出发 ,使用三柱透镜对称化光学系统对像散厄米 -高斯光束作了详细分析 ,研究表明 :对称化光学系统的作用是将像散光束变换为对称化实宗量光束 ;并消去 x- y耦合项。这样 ,当光束继续在自由空间传输时 ,能保持其形状不变。然而 ,有 x- y耦合项的对称化复光束却不具有这种传输不变性。

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。

偏心厄米-高斯光束通过失调一阶光学系统的传输特性

使用广义惠更斯—菲涅尔衍射积分 ,增广矩阵和 Wigner分布函数方法 ,研究了偏心厄米-高斯光束通过失调非对称一阶光学系统的传输特性 ,证明了偏心厄米 -高斯光束通过一阶光学系统时保持其封闭性 ,光束的二阶矩矩阵按通常的规律变换 ,一阶矩矩阵遵循几何光线的变换规律 。

双曲正弦高斯光束在梯度折射介质中的传输

为了研究双曲正弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性,利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法推导了光束强度分布解析表达式,据此结合空间二阶矩定义得到了束腰宽度和位置的解析表达式,并对光束强度分布、光斑尺寸、束腰宽度及其位置进行了数值计算和分析。结果表明,轴向光强分布呈周期性变化,横向光场分布受梯度折射系数和光束参量影响,通过对这些参量的适当调整,可以改变光斑尺寸和束腰位置。

双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

为了研究双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的扩展,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离zt的解析表达式。对湍流参量(广义指数α、内尺度l0、外尺度L0)和光束参量(相干参量β、离心参量δ)对湍流距离的影响进行了理论分析。结果表明,zt随α的增大而先减小后增大,且在α=3.11处存在zt极小值;zt随l0和δ的增大而增大,随L0(仅当3.6<α<4时)和β的增大而减小。这一结果对双曲余弦高斯光束在实际湍流中传输的相关应用是有帮助的。

有限能量Olver-Gaussian光束通过电光晶体的光强分布特性

基于广义惠更斯-菲涅耳积分公式,研究了傍轴近似下有限能量Olver-Gaussian光束经过铌酸锂电光晶体的光强分布特性。得出了这类光束经单轴晶体垂直于光轴的电场和光强解析式,基于此,探究了一阶Olver光束在电光晶体不同横截面上的光强分布和光波侧面传输光强图,并得出了外加电场和光波中心位置及中心光斑相对光强变化的定量关系;对传统三类单轴晶体的光波演变特性也进行了分析。

大气湍流对高斯-谢尔模型光束孔径平滑因子的影响

大气湍流严重影响了无线激光通信系统的性能，而孔径平滑效应能有效抑制湍流引起的光强闪烁效应。采用包含内外尺度影响的修正vonKarman湍流谱模型，并根据Tatarskii给出的孔径平滑因子定义式和波场交叉谱密度函数的互相干函数近似原理，得到了高斯-谢尔模型（GSM）光束的闪烁孔径平滑因子。讨论了光源相干参量、湍流强度及湍流内外尺度对高斯-谢尔模光束闪烁孔径平滑效应的影响。结果表明：随着湍流的增强，部分相干光抑制湍流效应的作用逐渐减弱，并且湍流越强孔径平滑因子达到饱和的速度越快；湍流外尺度对孔径平滑因子的作用可忽略，内尺度对孔径平滑因子的影响显著，在分析光强闪烁问题时内尺度应作为重要影响参数之一。

圆形周期介质内艾里光束的传输特性

为了研究无衍射光波在特异材质内的传输特性,实现更优良的光波通信,将传统右手材料和双负折射率材料相结合,提出了一种轴向阶跃变化周期圆形介质结构。基于广义惠更斯-菲涅耳光学积分公式,结合光学传输矩阵,分析了艾里光束在这种传输媒质中出射表面光强分布特性和侧面传输光强分布图;分析了负折射率参量对这类光波演变的影响及其补偿机理;分析了实现输出光波完美还原时,负折射率大小同介质单元长度的定量关系。结果表明,当介质孔径逐渐减小时,有限艾里光束衍射效应越来越严重,并且出射光强外形轮廓逐渐从艾里光束过渡到高斯光束;当双负折射率材料的折射率n_l的绝对值大于右手材料的折射率n_r时,出射表面实现光波完美还原的双负折射率材料单元层越长,反之则越短。该研究对分析周期或准周期轴向阶跃变化的圆形平板介质光波通信是有帮助的。

阵列艾里光束通过梯度折射率介质的光强演变特性

利用光学传递矩阵和广义惠更斯-菲涅耳积分衍射公式,研究了阵列艾里光束在梯度折射率介质中的演化规律。首先,导出了傍轴近似下,空间域内艾里和阵列艾里光束通过光学系统的传输方程。然后,分析了入射阵列艾里光束的二维光强随指数截断因子和光波束腰半径的变化规律。在此基础上,讨论了阵列艾里光束在梯度折射率介质部分横截面上的光强特征和光波传输的周期性特点,并与单艾里光束的传输规律进行了对比。因为大气的随机抖动和渐变折射率光纤都可以抽象为梯度折射率模型,所以相关结论对阵列光束的传输与通信有一定的理论意义。

Bessel光束通过含光阑的球差分数傅里叶变换系统的传输

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,以LohmannⅠ型光学系统为例,推导出Bessel光束通过含光阑的球差分数傅里叶变换系统后的场分布表达式,通过数值模拟计算了Bessel光束在理想分数傅里叶变换系统中的传输特性以及光阑和球差对光束传输的影响规律。研究表明:Bessel光束通过分数傅里叶变换系统后不再保持其传输不变性;系统只含光阑时,可在常规傅里叶变换面上获得空心光束;系统同时存在光阑和球差时,正球差下输出面可获得聚焦性更好、中心光强更强的光束;光阑较小时,轴上光强分布主要受光阑影响,光阑达到一定数值后,轴上光强分布主要受球差影响。

湍流对相干合成与非相干合成远场光束质量的影响

根据广义惠更斯-菲涅耳原理,对相干合成和非相干合成光束在湍流大气中的传输进行数值计算,并引入光束传输因子(BPF)用于评价合成光束的光束质量,对湍流大气对相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行定量分析。研究结果表明,在自由空间及强度较弱的湍流大气中传输时,相干合成光束在远场呈现多旁瓣的非高斯分布特征,与非相干合成光束相比具有峰值强度高的优势。但是随着湍流强度的增大,相干合成光束之间的相干性被破坏,相干合成光束的远场光强分布逐渐演化成与非相干合成的情形一致。定量计算结果表明,对于不同波长、不同数目的激光阵列,在较强的湍流大气中传输时,相干合成的光束质量与非相干合成光束质量相比均不占优势。计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考。

大气湍流中目标尺寸对回波闪烁残余指数影响的数值研究

综合利用了Rytov方法和广义惠更斯菲涅耳原理推导了水平及斜程路径上粗糙目标回波残余闪烁指数的表达式,并利用数值方法计算了不同波长球面波及平面波入射情况下的残余闪烁指数,其结果与分步傅里叶算法模拟的结果相吻合,证明了该理论的正确性。分析了残余闪烁指数与目标直径、传播距离的关系,证明了残余闪烁指数等于被目标孔径平滑了的入射波闪烁指数。

Besinc相干涡旋光束的产生与传输

研究了Besinc相干涡旋光束的产生与传输。理论上采用范西特-泽尼克定理,研究环形可控非相干光源经自由空间传输后的空间相干性。理论研究表明经自由空间传输后,环形可控非相干光源发射出的光束由非相干光逐渐演变为部分相干光,且光束的部分相干项为Besinc相干。实验上采用环形可控非相干光源以及螺旋空间相位板,产生空间相干可控的Besinc相干涡旋光束,并采用双缝干涉验证拓扑电荷数。另外,基于广义惠更斯-菲涅耳原理还研究了Besinc相干涡旋光束在自由空间中的传输,考虑相干度调节对传输的影响。

部分相干平顶激光组束投射腔壁光强的分布特性

建立了间接驱动过程中激光组束通过透镜在黑腔柱体中传输的模型。利用柯林斯公式,将各个锥环所有激光束投射到腔壁上的所有焦斑光强进行非相干叠加,研究其光强分布。详细分析了空间相干度、透镜聚焦F数、离焦距离对靶壁上焦斑光强分布均匀性的影响。空间相干度增大时,非相干叠加得到的亮斑光强度增大,光强起伏更剧烈,顶部光强分布均匀性变差;增大透镜聚焦F数,焦斑光场增强,光强振荡程度加深,光场分布更不均匀;而离焦量变大时,靶腔壁上的光强度降低,其振荡程度也减弱,光强峰值差值变小,顶部光强分布变得均匀。