风控热晕下复合贝塞尔高斯光束的模式串扰

采用多层相屏法和快速傅里叶变换法数值求解热晕方程,研究了复合贝塞尔高斯(cBG)光束大气传输过程中受热晕效应的影响。研究发现:由于热晕效应造成的光强和相位畸变,cBG光束会发生相位奇点移动和轨道角动量谱展宽,并产生模式串扰。当风速较小时,大气介质吸收激光产生的热效应较强,导致光束的模式串扰也较强。对于初始角量子数差值较大的cBG光束,其相对串扰能量较小,受热晕效应影响导致的模式串扰较弱。此外,还研究了旋转cBG光束的热晕效应,该光束的旋转特性使其在传输过程中四周都能得到均匀的扩展。因此,相较于非旋转cBG光束,旋转cBG光束的光强分布比更均匀,模式串扰更小。并且,随着旋转cBG光束的径向波数差值的增大,模式串扰减弱。综上,增大初始角量子数差值以及径向波数差值可以有效降低cBG光束的模式串扰。

基于不同变系数和势场的分数系统中二次相位调控厄米-高斯光束动力学

本文基于带有不同变系数和势的分数薛定谔方程,研究了二次相位调制(QPM)下厄米-高斯光束的演化特性.在自由空间中,光束聚焦位置随着正QPM系数的增加或莱维指数的减小而变大.QPM为负时,光束聚焦消失.在余弦调制和QPM共同作用下,光束的传输不再遵循余弦规律振荡,而是表现出一大一小的呼吸结构,其演化周期会随调制频率的增加而降低.引入线性调制时,分裂光束的运动轨迹呈现抛物线状.在线性调制和QPM共同影响下,光束呈现出聚焦或聚焦消失的特性.当考虑幂函数调制和正QPM共同影响时,在莱维指数较小时,光束在一定传输距离内保持不失真的直线传输.当线性势作用时,光束的分裂随着线性系数的增加而逐渐消失,最终呈现周期性演化.在加入QPM后,光束会得到明显放大.另外,光束演化周期与线性系数成反比,横向振幅随着莱维指数的增加而变大.当抛物势和QPM共同作用时,光束会呈现出自动聚焦,散焦效应,聚焦频率会随着莱维指数和抛物系数的增加而变大.这些特性在光学操纵,光学聚焦等领域具有潜在的应用价值.

海洋湍流下双拉盖尔-高斯涡旋光束的闪烁指数与误码率研究

采用功率谱反演法模拟了同轴叠加产生的双拉盖尔-高斯涡旋光束(Double Laguerre-Gaussian Vortex Beam,DLGVB)在海洋湍流中传输时的光强和相位分布,仿真分析了DLGVB光束在不同海洋湍流参数下的闪烁指数以及在基于开关键控调制的水下光通信系统中的通信误码率。结果表明,随着湍流动能耗散率的减小,盐度温度波动平衡参数、温度方差耗散率及传输距离的增加,闪烁指数逐渐增加;随着湍流动能耗散率以及拓扑电荷差值的增加,误码率减小。在海洋湍流环境下,使用DLGVB光束进行传输可以抑制海洋湍流带来的干扰,选择最佳的拓扑电荷差值,可以有效提高传输通信质量及通信系统容量。本文研究结果对涡旋光束及其叠加态在海洋湍流下传输特性研究及水下光通信系统持续扩容的发展需求方面具有重要的参考价值。

贝塞尔光束透射多边形二元振幅光阑的理论研究

本文提出一种多边形二元振幅光阑,并将其应用于压制贝塞尔光束在自由空间传输过程中的光强振荡。利用严格的数学推导,得出多边形二元振幅光阑的等效振幅透射系数公式。通过对贝塞尔光束轴上光强的优化设计,得到多边形二元振幅光阑的最佳结构参数。基于完全的瑞利-索莫菲方法的数值模拟结果显示,优化设计的多边形二元振幅光阑,不仅沿光轴方向,而且在垂直于光轴的横截面内,均很好地压制了贝塞尔光束的光强振荡。相比于现有文献中的渐变振幅光阑或心形二元振幅光阑,本文提出的多边形二元振幅光阑具有加工简单、成本低廉的优势,将为贝塞尔光束在实际光学系统中的广泛应用提供重要的指导价值。

基于GS算法的多贝塞尔高斯光束畸变波前校正方法

针对大气湍流干扰下的多贝塞尔高斯光束畸变波前矫正研究场景单一的问题,提出了基于盖师贝格-塞克斯顿(GS)算法的多贝塞尔高斯光束畸变波前校正方法,采用功率谱反演法得到各向异性大气湍流相位屏,并仿真分析了异号拓扑、同号拓扑2种多贝塞尔高斯光束在3种不同大气湍流折射率结构常数影响下的畸变波前校正情况。仿真结果表明:该方法对2种多贝塞尔高斯光束在校正后的目标轨道角动量(OAM)模式纯度均能提高12%以上,OAM谱的弥散也能得到有效抑制。

贝塞尔-高斯光束通过圆孔与圆环光阑的衍射

为了研究贝塞尔-高斯光束通过圆孔硬边光阑和圆环光阑的衍射特性,从Collins公式出发,采用数值模拟的方法模拟出光强分布。模拟结果表明,贝塞尔-高斯光束经圆孔光阑衍射后轴上光强随菲涅耳数F呈周期振荡;贝塞尔-高斯光束经圆环光阑后轴上光强随F呈振动衰减。在F相同时,贝塞尔-高斯光束经圆孔光阑衍射后横向光强分布比经圆环光阑衍射后横向光强分布平滑,孔径越小,光强调制越明显;当孔径与束腰相等时候,横向光强分布与菲涅耳数没有关系。

高阶贝塞尔-高斯光束通过圆孔硬边光阑的传输特性

文章通过把圆孔光阑函数展开为有限复高斯函数和的方法,用惠更斯-菲涅尔衍射积分,推导出了高阶贝塞尔高斯光束通过具有圆孔光阑的近轴ABCD光学系统的传输近似解析公式,并对高阶贝塞尔-高斯光束通过圆孔硬边光阑的传输特性进行了研究。分析结果表明,衍射特性与截断参数、贝塞尔函数的阶数以及光束的菲涅尔数等因素有关。

聚焦贝塞尔-高斯光束的焦开关效应

详细研究了贝塞尔高斯光束被无光阑透镜聚焦后的焦开关效应。推导出了轴上最大光强位置满足的一元三次方程和相对跃迁量公式,并用数值计算对理论结果作了说明。研究表明,当光束参数大于2时,聚焦贝塞尔高斯光束会有焦开关现象出现。相对跃迁量随着光束参数的增大而增大,轴上归一化光强最小值随着光束参数的增大而减小,并且当光束参数大于3.9时,轴上归一化光强最小值为零。

高阶贝塞尔-高斯光束通过圆环形硬边光阑的传输特性

文中通过把环形光阑函数展开为复高斯函数的方法,推导出了高阶贝塞尔-高斯光束通过环形光阑的传输近似解析公式,并对高阶贝塞尔-高斯光束通过圆环形硬边光阑的传输特性进行了研究,分析了不同内外半径下的光阑对输出光束的影响。分析结果表明,衍射特性与光阑宽度、光阑内径等因素有关,当光阑内径和光阑宽度取值适中时,会出现衍射光强相等的两个峰。

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.

超短脉冲贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输特性

使用复解析信号法研究了束宽与频率无关的超短脉冲贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输特性。研究表明:在无衍射长度内,超短脉冲贝塞尔-高斯光束的横向光强分布几乎不变并集中在传输轴附近,轴上脉冲随传输距离增加而展宽。在无衍射长度外,横向光强分布显著扩展。随传输距离增加,轴上光谱蓝移先增加,达到极大值后逐渐减小,最后在远场趋于一渐近值。对单周期的超短脉冲贝塞尔-高斯光束的轴上光谱蓝移先增加,达到极大值0.50 fs-1。然后逐渐减小,在远场蓝移趋于渐近值0.16 fs-1。

高阶贝塞尔-高斯脉冲光束相位奇点的演化

推导出被光阑衍射高阶贝塞尔-高斯脉冲光束的场和光强分布的解析公式,对其相位奇点的演化特性做了计算和分析。结果表明,高阶贝塞尔-高斯脉冲光束经光阑衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒。随脉冲频率和脉冲宽度增加,等相位线均沿逆时针方向旋转,涡旋核随脉冲频率增加而减小,而脉冲宽度对涡旋核大小几乎无影响。等相位线随截断参数和传输距离的增加分别沿逆时针和顺时针方向旋转,涡旋核大小随截断参数增加而变化,随传输距离和光束阶数的增加而增大。

矩阵表示法在贝塞尔-高斯光束通过多光阑复杂光学系统传输中的应用

用矩阵表示法研究了贝塞尔-高斯光束通过多光阑复杂光学系统的传输,给出了用矩阵表示的传输公式,以光阑-透镜系统为例进行数值计算,计算结果与直接由Collins公式积分所得结果一致,矩阵表示法在菲涅尔区和夫朗和费区都达到了足够的精度,并节约了大量机时.

贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性

对等衍射长度贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性作了研究,结果表明,通过选择适当的空间参数,贝塞尔-高斯脉冲光束沿轴上传输时,脉冲宽度不变。传输距离小于无衍射长度时,随衍射角增加,功率谱形状未变,脉冲波形保持不变;传输距离大于无衍射长度时,随衍射角增加,光谱由蓝移变为红移,脉冲展宽。

基于贝塞尔-高斯光束的布朗粒子的扩散特性

利用环形相位光学衍射结构产生贝塞尔-高斯光束,将其投影到作布朗运动的聚苯乙烯小球溶液中;基于共轴差分动态显微技术,测量粒径为813 nm的聚苯乙烯小球在不同光功率下的扩散系数,研究贝塞尔-高斯光束对小球扩散运动的影响,并与高斯光束作用下的小球扩散系数相比较。结果表明:不论是在高斯光束还是在贝塞尔-高斯光束作用下,作受限布朗运动的聚苯乙烯小球的扩散系数均小于无激光作用时的;在相同激光功率照射下,贝塞尔-高斯光束作用下小球的扩散系数均大于高斯光束作用时的;随着激光功率的增加,2种光束照射下的小球扩散系数均出现先减小后略有增加的现象。

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。

非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的传输

利用广义瑞利衍射积分公式和部分相干光理论,推导了任意阶非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束在自由空间传输的解析表达式。作为特例,给出了非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的远场公式和傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的传输方程。数值计算和分析表明,f参数对光束的非傍轴特性有重要影响,此外,相干度也影响部分相干修正贝塞尔-高斯光束的非傍轴行为。

部分相干修正贝塞尔-高斯光束通过光阑的传输

为了对部分相干修正贝塞尔-高斯光束通过有硬边光阑近轴ABCD光学系统的传输进行研究,采用将硬边光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法,得到了近似的解析传输公式。以部分相干修正贝塞尔-高斯光束在有光阑情况下自由空间的传输为例作了数值计算,对所得解析公式的计算误差和适用范围进行了讨论。结果表明,用该方法可快速、解析地研究部分相干修正贝塞尔-高斯光束通过圆孔光阑自由空间的传输特性,分析菲涅耳数、截断参数对其光束经光阑后光强分布的影响。

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。

大气湍流中贝塞尔-高斯涡旋光束传播性能分析

为了研究涡旋光束在湍流大气中的传输特性,根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法,对贝塞尔-高斯光束在大气湍流中的传输过程进行了理论分析和数值仿真;采用次谐波补偿法产生随机相位屏来模拟大气湍流,解决了大气湍流模拟时存在低频成分不足的问题。结果表明,除了湍流强度外,传输距离、拓扑荷数、激光波长等也成为影响贝塞尔-高斯涡旋光束质量的主要因素;湍流越强,光束的环形光强越弱,相位畸变越严重,光强起伏越明显,且逐渐退化为普通高斯光束;随着传输距离的增加,涡旋光束扩散现象明显,最终退化为普通高斯光束;波长越长,则涡旋光束抑制湍流能力越强,环形光强越强,相位畸变程度会得到逐步改善;拓扑荷数越小,涡旋光束会最先退化为普通高斯光束,相位畸变程度越弱。该结果对于研究涡旋光束在自由空间光通信中的传输是有帮助的。