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。

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。

基于图论分析的部分相干高斯光束聚焦性质研究

在部分相干高斯光束聚焦性质研究中,聚焦光斑的大小严重影响光束的聚焦质量,而传统的部分相干高斯光束聚焦性质研究方法无法对其详细分析,聚焦质量不高。本文提出一种基于图论分析的部分相干高斯光束聚焦性质研究方法。建立部分相干高斯光束的聚焦模型,对部分相干高斯光束聚焦光强分布、束腰宽度和发散角进行计算,研究部分相干高斯光束聚焦光斑及聚焦性质。实验结果表明,采用基于图论分析的部分相干高斯光束聚焦方法能够提高光束的聚焦质量。

相干高斯光束的符合成像和干涉

理论上研究分析了相干高斯光束的符合成像和干涉。导出了相干高斯光束的符合成像公式和符合干涉条纹公式,从这些公式可以看出符合成像和干涉是由于两条光路相应的汇聚投射引起的。符合成像和干涉条纹的质量及能见度可以同时很好。我们的结果表明纠缠光子对和相干高斯光束的符合成像及干涉的物理本质是不同的,相干高斯光束的符合成像和干涉的物理本质是光强的点对点投射,而纠缠光子对的符合成像和干涉的物理本质是双光子的振幅关联。

基于M-Z干涉的相干高斯光束远场干涉图样研究

为了使远场相干光斑分布及干涉图样的条纹间距和条纹对比度满足激光主动相干探测的要求,对基于马赫-曾德尔干涉原理的相干光发射装置发出的相干高斯光束在远场的扫描相干光场分布特性进行了分析,推导了高斯光束远场扫描相干光场的解析光强分布公式,得到了高斯光束远场扫描干涉图样。利用物理光学相关原理推导了远场的相干光光程差、干涉图样的条纹间距以及条纹对比度的表达式。数值仿真分析了马赫-曾德尔干涉光发射装置的分束镜旋转角度、探测距离和扫描角速度对远场相干光强分布特性的影响,得到了这几个物理量之间的定量关系。结果表明,远场扫描相干光强分布主要受到分束镜旋转角度、探测距离和发射装置扫描角速度等参量影响;干涉光发射装置的分束镜旋转角度同时影响远场接收屏上干涉图样的条纹间距及条纹对比度。该研究结果对实际探测中如何选取分束镜的旋转角、使其在满足条纹间距目标尺寸要求的前提下,适当调节旋转角度,获得尽可能大的条纹对比度是有帮助的。

部分相干贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流中的传输特性

根据广义惠更斯一菲涅耳原理，推导出了部分相干贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流中传输时平均光强和偏振度的解析表达式，研究了部分相干贝塞尔一高斯光束在非柯尔莫哥诺夫湍流模型下的光强分布特征和偏振度变化规律，同时分析了指数项、折射率结构常量、湍流内外尺度以及拓扑荷、光源相干性等对光束传输性质的影响．数值计算表明，随着传输距离的增加，部分相干贝塞尔高斯光束的光强会从空心分布逐渐演变为高斯分布，同时光束会有一定程度的展宽．而且，当指数项值越接近于3．1，折射率结构常量越大，外尺度越大或者内尺度越小时，光强分布的演变越为迅速，展宽现象也越明显；当拓扑荷越小或者相干长度越小时，光强分布的演变越迅速，但是二者对展宽现象的影响并不明显．另外，偏振度在近距离处会经历一段振荡及升降变化过程，当距离足够远时会趋于一个稳定值，且该值等于光源平面上的初始偏振度．偏振度变化的快慢程度受指数项、折射率结构常量、湍流内外尺度、拓扑荷和相干长度等因素的影响．

大气湍流对部分相干平顶高斯光束的影响

采用相屏近似处理方法对激光通过湍流大气的传输进行了数值模拟。从数值模拟的结果拟合出两个公式:一是通过湍流前后部分相干平顶高斯光束的束宽平方比随阶数、传输距离和湍流强度的变化关系式;一是通过湍流后的相干长度随初始光束相干长度、湍流相干长度的变化关系式。研究发现:部分相干平顶高斯光束分解为相互独立的厄米 高斯光束的叠加;相干性越差的光束受到湍流的影响程度就越小;湍流对光束传输的影响与光束自身相干特性对其传输的影响之间是不相关的。

部分相干修正贝塞尔高斯光束通过球差透镜的聚焦特性

由部分相干光的传输理论出发,对部分相干修正贝塞尔高斯光束通过球差透镜聚焦后轴上光强分布进行了研究.数值计算表明:当光谱相干度较小时,正、负球差对应的最佳聚焦点位于无球差时对应的最佳聚焦点的两侧;当光谱相干度较大时,正、负球差对应的最佳聚焦点将位于无球差时对应的最佳聚焦点的左侧.研究进一步表明,最佳聚焦点随着透镜菲涅耳数的增大向几何焦点方向靠近,并趋于一个定值.当光束菲涅耳数为1时,无球差时对应的最佳聚焦点逐渐趋于0.908,该值与光谱相干度无关,当透镜具有球差时,该值与光谱相干度有关.

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。

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.

部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气传输空间相干性的变化

基于广义惠更斯—菲涅尔原理,推导出了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气传输其光谱相干度的解析表达式,并研究了光束的空间相干特性.研究表明,部分相干双曲余弦高斯光束通过自由空间传输其光谱相干度会出现振荡和相位奇异现象,且震荡随光束离心参数δ增大而增强.但是,随着湍流的增强,不同δ的光谱相干度曲线相接近,并呈类高斯分布;此外,在湍流中随着传输距离z的增加光束的空间相干性变差.

部分相干平顶高斯光束通过球差透镜的聚焦特性

基于部分相干光的传输理论,研究了部分相干平顶高斯光束通过球差透镜聚焦后轴上点的光强分布。数值计算表明:轴上最佳聚焦点随着球差从负到正的变化而向几何焦点方向移动;光束阶数越大,实现最佳聚焦点越过几何焦点所需的正球差值越小;正负球差对应的最佳聚焦点始终分居于无球差时最佳聚焦点的两侧;轴上最佳聚焦点的光强随着球差从负到正的变化而变小;当正负球差绝对值较大时,光强随球差的变化较为缓慢,而在球差值为0附近,光强随球差的变化比较剧烈。

非柯尔莫哥诺夫湍流对部分相干双曲余弦高斯光束扩展的影响

基于非柯尔莫哥诺夫湍流模型,本文给出了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流传输的二阶矩束宽和相对束宽解析式,并研究了湍流参数(广义指数α、内尺度l0、外尺度L0)和光束参数(离心参数δ、相干参数β)对光束扩展的影响。研究表明:束宽随α的增大而先增大后减小,且在α=3.11处存在光束扩展极大值;束宽随l0的增大而减小,随L0的增大而略微增大(仅当α>3.7时)。另外,束宽随δ的增大及β的减小而增大,但当δ越大和β越小时,光束扩展受湍流的影响则越小。

部分相干平顶高斯光束通过透镜的聚焦特性

利用惠更斯-菲涅尔衍射积分公式导出了部分相干平顶高斯光束(PCFGB)经过ABCD光学系统的传输公式。进一步导出了PCFGB经透镜聚焦后的任意z处、焦面处、聚焦场轴上的光强分布公式和等效束宽传输公式,并进行数值计算及分析。研究结果表明,PCFGB经透镜聚焦后的传输过程中,光强分布的平顶部分不会消退,并随着阶数N增加和菲涅耳数N_w减小,等效束宽增大,平顶化程度越好;任意z截平面处的光强和焦移量与阶数N无关,但随N_w的增加,其光强成倍增大、焦移量却减小。

部分相干双曲余弦高斯光束在湍流大气中传输的光谱变化

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,推导出了部分相干双曲余弦高斯(ChG)光束在湍流大气中的光谱传输方程,研究了湍流对其光谱特性的影响,得出了一些有意义的结论,并给予了合理的物理解释.研究表明,部分相干ChG光束通过湍流大气传输其光谱特性由源光谱、光束相干参数、光束离心参数、大气折射率结构常数和观察点位置等因素共同决定.湍流使轴上点光谱移动量减小.当湍流增强到一定程度时离轴点还存在光谱跃变现象,发生跃变的临界位置和光谱跃变量随湍流的增强而增大.此外,光谱跃变的临界位置随着离心参数的增大而远离传输轴,光谱跃变量随着光束相干参数的增大而增大.

部分相干厄米–高斯光束通过非Kolmogorov大气湍流传输的束宽扩展和方向性

基于广义惠更斯–菲涅耳原理和非Kolmogorov谱,推导出了部分相干厄米–高斯(H-G)光束通过非Kolmogorov大气湍流传输中束宽扩展的解析表达式,并用以研究了部分相干H-G光束通过大气湍流的束宽扩展和方向性。引入相对束宽来定量的描述光束抗拒大气湍流的能力。结果表明,空间相干长度σ0越小,光束阶束m,n越大,部分相干H-G光束的束宽扩展受大气湍流影响越小;而束腰宽度ω0受大气湍流影响与传输距离z有关,当传输距离足够远时,束腰宽度ω0越小,部分相干H-G光束的束宽扩展受大气湍流影响越小。部分相干H-G光束相对束宽随Kolmogorov大气湍流广义指数参量α增加先增加后减小。另外,存在等价部分相干H-G光束、等价完全相干H-G光束、等价高斯–谢尔模型(GSM)光束与相应的完全相干高斯光束在非Kolmogorov大气湍流和自由空间中分别具有相同的方向性,并对所得结果做了物理解释。

非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性

为了研究非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性,运用Wigner分布函数法,从空间域和频率域对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束传输特性进行了理论分析,得出了该光束1阶情况下在空间、频率域系统的解析传输公式及光强分布表达式,分析了这些表达式中3个主要参量f,fσ和g对厄米-余弦-高斯光束在自由空间传输的影响。结果表明,在调制参量g不变时,束腰参量f和相干参量fσ对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束的非傍轴性起了至关重要的作用;非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束在传输过程中随着g的改变,不能保持其光强分布形状,有前移趋势。

部分相干双曲余弦高斯光束在湍流中的等效曲率半径

给出了部分相干双曲余弦高斯(Ch G)光束在非-Kolmogorov湍流中的等效曲率半径Rx(z)的解析式,并研究了湍流参数(广义指数α、折射率结构常数C2n)和光束离心参数δ对等效曲率半径的影响.研究表明,Rx(z)随湍流的增强而逐渐减小;随湍流广义指数α的增大而先减小后增大,且在α=3.11时存在Rx(z)的极小值.另外,Rx(z)随离心参数δ的增加而增加,但湍流使得其变化更加缓慢;湍流对Rx(z)的影响随δ的增大而增大.

部分相干厄米-高斯光束杨氏实验中的光强分布

将杨氏干涉实验作为双缝衍射现象处理,以部分相干厄米-高斯(H-G)光束为例,研究分析了多模部分相干光的杨氏双缝干涉光强和干涉条纹可见度的空间分布。数值计算说明,多模部分相干光束的空间相干参数、模阶数和缝遮拦比对衍射场中光强的空间分布(干涉花样)都有影响。当多模部分相干光的阶数为奇数时,轴上光强与光束的相干性会出现相消干涉;当多模部分相干光的阶数为偶数时,轴上光强与光束的相干性会出现相长干涉等。