花瓣状拉盖尔-高斯激光器的理论技术研究

花瓣状拉盖尔-高斯光源是一种重要的激光器输出光源,具有独特的空间分布和传播特性,被广泛应用于冷原子捕获、量子纠缠和高精度空间测量等领域。从理论技术方面研究了该光源产生的基本原理,给出其数学表达式,并结合Mathcad软件成功模拟了它的空间分布形式,阐述其分布形式的一般规律,为开发性能更优异的花瓣状拉盖尔-高斯激光器提供理论依据。

基于腔内球差选模产生高阶拉盖尔-高斯模式激光

本文报道了基于腔内球差在端泵Nd:YVO_(4)激光器中选择单一高阶拉盖尔-高斯(LG)振荡模式的实验研究.在激光谐振腔内使用短焦距透镜引入明显的球差,使具有不同光斑半径的各阶LG模式的光路在空间上发生分离,从而实现对模式的选择作用,1.03 W泵浦功率下线偏振1064 nm激光能够在LG_(0,)±10和LG_(0,)±33之间以单横模工作.分析发现适当的横模间球差是抑制边模、选择单一高阶LG模式的必要条件,而过大的球差又会导致单一LG模式自身遭受明显的损耗,不利于产生高阶的LG模式输出.据此进一步优化实验参数,获得了角向指数m达到±75的高阶LG模式输出.

拉盖尔-高斯光束与高斯光束捕获力比较

根据高斯光束和拉盖尔-高斯光束两种光源的截面光强表达式,模拟出各自的光强分布.利用几何光学模型分别计算了高斯光束和拉盖尔-高斯光束在不同捕获目标尺寸和折射率、显微镜物镜的数值孔径以及样品池界面处到捕获目标的距离时的捕获效率,对高斯光束和以拉盖尔-高斯光束为代表的空心光束的捕获能力进行了比较.结果表明,拉盖尔-高斯光束相对于高斯光束其捕获能力具有很大的优势,拉盖尔-高斯光束的最大反向捕获效率高于高斯光束的最大反向捕获效率,在光镊稳定平衡点附近的刚度大于高斯光束的刚度.拉盖尔-高斯光束由于其特殊的光强分布,当物镜的数值孔径足够大时球差对其影响较大.

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获概率研究（英文）

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲,假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM_(01)模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型,研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响;建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型;针对低轨卫星-地面站间激光链路,对单光子捕获概率进行了分析.结果表明:上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C_n^2(0),且随着C_n^2(0)的增加而减小;然而,下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C_n^2(0),即大气湍流对其没有影响.

厄米-拉盖尔-高斯光束的传输特性

利用Collins公式,推导出厄米-拉盖尔-高斯(HLG)光束通过近轴ABCD光学系统的解析传输公式,并用来研究通过自由空间和薄透镜的传输特性。结果表明,除模指数m,n之外,对HLG光束新引入的α参数,它影响光强分布和对称性;HLG光束在传输中保持形状不变;HLG光束的焦移与模指数m,n和α参数无关,这意味着m,n和α不同的HLG光束聚焦在同一位置。并给出了HLG光束的M2因子。

复宗量拉盖尔-高斯光束通过矩形光阑的传输

利用拉盖尔-高斯模和厄米-高斯模的变换公式,并使用将二维矩孔光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法,得到了复宗量拉盖尔-高斯(LG)光束通过含矩形硬边光阑近轴ABCD光学系统的变换的解析传输公式,并对复宗量LG光束通过矩形硬边光阑的衍射和聚焦特性进行了研究。该方法对研究有不同几何对称性光阑光学系统的光束变换是有用的。

余弦-高斯激光脉冲在单模光纤中的色散效应

首次提出了余弦-高斯激光脉冲,并证明了该脉冲可由两个相位相反的线性啁啾的高斯激光脉冲叠加得到。由NLS方程出发,对余弦-高斯激光脉冲在色散介质中的色散效应进行了详细的研究。研究结果表明,初始啁啾并不影响入射场的光强分布;当脉冲参数a=1.13时,余弦-高斯激光脉冲的初始脉宽有最小值,且比高斯激光脉冲的初始脉宽要窄;余弦-高斯激光脉冲的展宽因子与传输距离、色散长度LD、激光脉冲参数a、初始啁啾参量C和β2的符号有关,余弦-高斯激光脉冲都比高斯激光脉冲的展宽要快,且参数a越大展宽就越明显。

拉盖尔-高斯光束通过有硬边光阑光学系统的传输

采用将硬边光阑展为有限个复高斯函数之和的方法 ,得到了拉盖尔 高斯光束通过有硬边光阑近轴ABCD光学系统中传输的近似解析公式 ,作了数值计算以说明传输公式的应用 。

受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布

为了研究受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布,采用扩展惠更斯-菲涅耳原理方法进行了理论分析,得到了受发射圆孔限制的拉盖尔-高斯光束在大气湍流中传输时轴上光强的表达式。并运用MAPLE模拟,取得了不同湍流强度、波长和发射圆孔孔径下轴上光强的分布理论数据。结果表明,拉盖尔-高斯光束在不同阶数、湍流强度、波长和发射圆孔孔径下,真空和湍流较弱时,轴上光强在近场发生明显振荡,达到最大值后,强度明显开始降低,湍流较强时,传输很近距离强度就迅速衰减,并与其在真空中的传输特性进行了比较。这一结果对研究拉盖尔一高斯光束是有帮助的。

拉盖尔-高斯光束通过光阑-透镜分离系统的聚焦特性和焦移

使用 Collins公式推导了拉盖尔 -高斯光束通过光阑 -透镜分离系统的光强分布。利用数值计算详细分析和说明了其聚焦特性。分析得出光阑 -透镜分离程度的大小影响相对焦移的大小和光强的分布 ,并引起焦移可能相反或消失。而且发现满足一定条件时在一段较大的轴向距离上光强几乎等于光强极大值 ,从而可获得一个较大的光强极大范围。

拉盖尔-高斯光束光镊捕获性质

利用 T 矩阵法研究光镊中微粒大小与入射光束波长相近时，光镊捕获效率与入射光束的阶数、微粒的折射率和尺寸大小的关系．对拉盖尔-高斯光束光镊和高斯光束光镊的轴向和横向捕获效率进行比较．计算结果表明：不同阶数的拉盖尔-高斯光束对微粒捕获效率的影响不同，阶数不超过4的拉盖尔-高斯光束的捕获效率高；微粒半径增加时，拉盖尔-高斯光束的轴向捕获效率逐渐增大，且捕获域也增加，高斯光束的最大捕获效率基本保持不变但捕获域逐渐增大；微粒折射率增加时，拉盖尔-高斯光束和高斯光束的轴向和横向捕获效率均先增加后递减，捕获效率出现了一个峰值，微粒折射率约在1．39～1．69是稳定捕获的最佳数值．

复宗量拉盖尔-高斯光束及其特性研究(英文)

用由广义惠更斯 菲涅耳衍射积分推导出的传输方程详细研究了复宗量拉盖尔 高斯光束及其传输特性。采用光束传输因子 (M2 因子 )和桶中功率 (PIB)来表征光束质量 ,对复宗量和实宗量拉盖尔 高斯光束的光束质量进行了比较 ,并对所得结果作了分析。

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM10模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明:采用可高度衰减激光脉冲的TEM10模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比,采用TEM10模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。

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。

非局域非线性介质中的拉盖尔-高斯涡旋呼吸子和涡旋光孤子

在圆柱坐标系下,利用分离变量的方法求得了非局域克尔介质中拉盖尔-高斯光束传输的精确解析解。当输入功率等于临界功率时,光束演变为拉盖尔-高斯涡旋光孤子,是一种旋转的多环光孤子;当输入功率接近于临界功率时,光束在传输过程中形成拉盖尔-高斯涡旋呼吸子。结果表明,低阶的拉盖尔-高斯孤子呈现中空多峰亮环分布。

截断拉盖尔-高斯光束的M_G^2因子

用广义截断二阶矩方法对截断圆对称拉盖尔 高斯光束的广义光束传输因子 (MG2 因子 )作了研究 ,得到了MG2 因子的解析公式 ,并用数值计算例作了说明。研究表明 ,截断圆对称拉盖尔 高斯光束MG2 因子与截断参数和光束的阶数有关。随着截断参数的增加 ,MG2 因子逐渐趋近于无截断圆对称拉盖尔

拉盖尔-高斯光束的近场矢量结构特征

直接以麦克斯韦方程组的解表征拉盖尔-高斯光束。基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述和电磁光束的矢量结构理论,利用一些数学技巧导出了拉盖尔-高斯光束的TE项和TM项在近场的解析表达式。利用所导出的公式,在近场描绘了拉盖尔-高斯光束的TE项、TM项及整个光束的光强分布。并对角度依赖分别为余弦和正弦关系的拉盖尔-高斯光束的矢量结构进行了比较,结果显示两者整个光束的光斑完全相似,唯一的区别是子瓣的空间方位不同且两者的内部矢量结构完全不相同。

利用球差实现超高阶拉盖尔—高斯模式激光振荡

基于腔内球差选模方法在端面泵浦的Nd:YVO_(4)激光器中实现了能够对角向指数m进行便捷选择的高阶LG模式激光输出,从LG模式光斑半径和能量分布的角度对实验现象进行解释,分析发现不同模式间球差引起的实际焦点偏离是实现单一LG模式运转的关键,而单一模式自身球差产生的损耗决定了该模式是否能够起振。根据理论分析,分别通过使用长焦距透镜减小球差以降低高阶模式的损耗和增加泵浦功率以提高增益,实现了角向指数m最高达到±95的超高阶LG模式输出;通过使用短焦距透镜增大球差来加强对光斑较小的低阶模式的区分度,实现了径向指数p>0的LG模式输出。

电磁拉盖尔-高斯光束通过湍流时偏振度研究

基于相干性和偏振性统一理论,经理论推导,得出部分相干电磁拉盖尔-高斯光束在湍流中传输时偏振度的解析表达式。经数值计算,结果表明:在湍流中,当源偏振度(P0)、结构常数C2n、相干长度和光束阶数不同时,经过足够长传输距离,部分相干电磁拉盖尔-高斯光束的偏振度逐渐趋向于P0,而在自由空间中,该光束的偏振度达到其各自不同的极限值;当δx=δy时,不论在自由空间中还是在湍流中,光束的偏振度都不改变。此结论对部分相干光的大气传输在激光雷达成像以及远距离相干测量和光通信等领域有实用意义。

利用计算全息产生的拉盖尔-高斯光束旋转微粒

分析了采用计算全息再现拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束光场的原理。将计算全息法生成的全息图载入空间光调制器(spatial light modulator,SLM),在全息光镊平台上生成了LG光束。对吸收性氧化铜(CuO)微粒进行了系列旋转操纵实验。实验发现单个微粒既可以被光学漩涡捕获在暗中空区域绕固定轴旋转,又可以被囚禁在光强最大值处绕轨道旋转;还实现了多个微粒的绕轨道旋转。通过实验观察和测量,得出了微粒旋转的周期与激光功率和角向指数的变化关系。所得结果对光致旋转微粒的精确操控具有一定的指导作用。