部分相干径向阵列光束的传输特性

利用广义惠更斯菲涅尔衍射积分方法,推导出部分相干径向阵列光束在相关和非相关叠加下通过薄透镜系统的传输公式。定量分析了光束叠加方式、子光束的空间相干参数、透镜菲涅尔数和阵列参数对部分相干径向阵列传输特性的影响。研究结果表明:经透镜传输的部分相干径向阵列光束的光强分布和最大峰值光强与光束叠加方式、子光束空间相干参数、透镜菲涅耳数以及阵列参数等密切相关。

非Kolmogorov大气湍流对径向部分相干阵列光束瑞利区间和湍流距离的影响

基于广义的Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov谱模型,推导了无线光通信系统中径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时瑞利区间z_R和湍流距离z_T的解析表达式,对瑞利区间和湍流距离随湍流参量和光束参量的变化情况进行了数值分析.结果表明:不论是相干还是非相干合成,径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的z_R和z_T均随湍流广义指数α的增大非单调变化,当α=3.11时,z_R和z_T取最小值,此时阵列光束扩展最大;相干合成比非相干合成的光束扩展要小,但其受湍流的影响更大;对于相干合成而言,径向分布半径r0越大,合成光束的z_R和z_T就越大,而非相干合成的z_R和z_T不受r0的影响;不论是相干还是非相干合成,阵列子光束数目对合成光束的z_R和z_T没有影响;当光束相干参量β足够小或波长λ足够大时,大气湍流对阵列光束z_R的影响可以忽略.

径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的模拟研究（英文）

基于交叉谱密度函数以及相干偏振统一理论,导出径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性.通过理论分析和数值计算可知,径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,光束以固定的螺旋半径进行螺旋传输.且在传输过程中,光束逐渐由螺旋空心光束演变为螺旋高斯光束,这一过程所需的传输距离与相干长度有关.该光束的偏振角和偏振度都会受到螺旋半径和传输距离的影响,同时,相干长度的变化也会影响偏振度的分布.而相干长度,传输距离和螺旋半径的改变并不会影响光束的偏振椭圆率的分布.

部分相干径向偏振扭曲光束在非均匀大气湍流中的传输特性

利用扩展的Huygens-Fresnel原理以及维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)的二阶矩理论,推导出部分相干径向偏振扭曲光束(partially coherent radially polarized twisted beam,PCRPTB)在非均匀大气湍流中的M^(2)因子、空间扩展和角扩展的解析式。通过相应的数值模拟计算分析了初始相干长度、束腰宽度、波长、天顶角、扭曲因子、湍流内尺度等对光束传输质量的影响。研究表明具有扭曲相位的PCRPTB展现出更强的抗大气湍流的能力,且扭曲因子越大,光束抗大气湍流的能力越强。而且减小初始相干长度,增大束腰宽度,波长也可以有效降低PCRPTB在大气湍流中的相对M^(2)因子,使光束具有更强的抗大气湍流的能力。研究还可以发现,PCRPTB在湍流内尺度与广义指数参数较大的大气湍流中以一个更小的天顶角传输,其相对M^(2)因子更小,表明大气湍流对PCRPTB的影响更小。

2×2全光纤激光器阵列部分相干合成的实验研究

对2×2全光纤激光器阵列的部分相干合成进行了实验研究。将四台全光纤激光器阵列分为两组,组内两光纤激光器通过一个对激光波长具有一定反射率的光纤光栅实现腔模互注入相位锁定,而两组激光阵列元之间非相干。四束激光经一个四面直角棱镜反射后尽量接近并实现对称排布。获得两组清晰的干涉条纹,条纹最大可见度分别约为43%和38%。整个激光器阵列在泵浦光总功率为1624W时获得925W高功率部分相干输出。在合成光束占空比为0.54时,合成光束的光束质量BQ值约为1.95。激光器阵列由全光纤元件组成,系统结构紧凑,在长时间的高功率合成实验中,性能稳定,没有观察到光热损伤现象。

非傍轴厄米-高斯光束多重径向阵列光束的传输特性

基于瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出非傍轴厄米-高斯光束多重径向阵列相干和非相干合成光束在自由空间中的传输解析式,对它们在自由空间的传输特性进行了解析和数值研究。重点研究了阵列几何排布P×Q,非傍轴参数f和光束模式数m对相干合成桶中功率(PIB)的影响。结果表明,相干和非相干合成P×Q径向阵列光束远场轴上光强分布分别是单束光的P2Q2和PQ倍,PIB值随f参数和光束模式数m的减小而增加。当桶宽较小时,PIB随P(P<Q)增加而增加。

光束的几何排布对多重径向阵列光束传输特性的影响

研究了阵列几何排布对多重径向阵列相干和非相干合成光束桶中功率(PIB)的影响。在较小的桶内阵列相干合成光束的PIB值随P增大而增大;非相干合成光束的PIB值与几何排布无关。

非傍轴径向阵列高斯激光束的传输特性

推导出相干和非相干非傍轴径向阵列高斯激光束的传输公式,并用以研究了径向阵列光束在自由空间的传输特性,重点分析了阵列光束参量对合成光束光强分布的影响。结果表明:阵列半径与束腰宽度之比是一个关键参量,当它固定时,相干和非相干合成光束的光强分布都保持不变,但合成光束的光强分布和远场轴上光强最大值都与合成方式有关。

部分相干径向偏振涡旋光焦场轨道角动量特性

将部分相干径向偏振涡旋光束的轨道角动量应用于焦场目标探测,根据部分相干及Richards-Wolf矢量衍射积分理论,推导了光束焦场目标平面处的光场分布,讨论了焦平面处的轨道角动量密度分布特性,分析了入射光束的相干长度和聚焦透镜的数值孔径对纵向分量轨道角动量密度分布和轨道角动量的影响。结果表明,随着相干长度的增大,轨道角动量和轨道角动量密度迅速变大,当增大至0.5 cm后,轨道角动量和轨道角动量密度的变化趋于平缓,此后,相干长度的变化不再影响轨道角动量和轨道角动量密度分布。随着数值孔径的增大,轨道角动量和轨道角动量密度始终表现出增长的变化趋势,并且,变化程度在数值孔径大于0.7后越来越大。

PCFT光束阵列在海洋湍流中的传输特性

为了研究部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输特性,基于拓展惠更斯-菲涅耳原理和魏格纳分布函数,结合海洋湍流的空间功率谱函数,理论推导了部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输因子、有效曲率半径、瑞利尺寸的解析表达式,数值计算并讨论了它们与光束的相干长度、海水温度与盐度变化、动能耗散率、温度方差耗散率等参量的关系。结果表明,在相同条件下,当传输距离超过400m时,相对于部分相干高斯光束、部分相干平顶光束和部分相干高斯光束阵列,部分相干平顶光束阵列受海洋湍流的影响更小,传输特性更为稳定。此结果对选择合适的光束在海洋湍流传输方面具有一定的参考价值。

部分相干径向偏振拉盖尔-高斯脉冲光束在大气湍流中传输的光谱移动和光谱开关

研究了部分相干径向偏振拉盖尔-高斯(partially coherent radially polarized Laguerre-Gaussian,PCRPLG)脉冲光束在大气湍流中传输时的光谱移动和光谱开关。研究发现,在湍流大气传输时,光束轴上点光谱因受湍流影响产生的双谱峰现象会发生跃变,湍流越强,光谱在跃变后相对谱移变化越稳定,而轴外点光谱在越强的湍流中相对谱移变化范围越小。研究还发现,适当增加脉冲宽度会明显减小大气湍流对光束轴上点和轴外点光谱移动的影响。在不同脉宽下,轴上和轴外点光谱均会出现光谱开关,且轴外点光谱会产生两次光谱跃变的独特现象。在固定的传输距离上,拓扑荷越大,轴上点光谱移动越小,近轴范围内光谱相对谱移的变化范围越小,此外,不同拓扑荷下光谱均会出现谱开关。相干度越大时,光谱的变化越稳定,轴外点光谱的光谱开关发生位置越远。本文的研究结果为多普勒激光雷达的应用提供理论依据,PCRPLG脉冲光束本身具有较强抗湍流能力,且通过调控光束参数可以减小光束光谱移动。

部分相干双曲余弦高斯阵列光束的湍流距离

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,采用Rytov相位结构函数二次近似和积分变换技术,推导出了部分相干双曲余弦高斯(ChG)阵列光束通过大气湍流传输时光束湍流距离的表达式。研究结果表明,部分相干ChG阵列光束的湍流距离与大气湍流强度、光束参数(包括子光束数、光束相干参数、离心参数、相对子光束间距)以及光束叠加方式(即交叉谱密度函数叠加和光强叠加)等有关。部分相干ChG阵列光束的光束扩展会随着大气湍流强度的增大而增大,但当选择合适的光束参数以及光束叠加方式时,可以减小湍流对部分相干ChG阵列光束扩展的影响。

无线光通信系统中部分相干阵列光束的传输特性研究

根据广义Huygens-Fresnel原理和修正von Karman谱模型,推导得到无线光通信系统中相互独立的部分相干高斯一谢尔模型(GSM)阵列光束在大气湍流中传输时的光强分布、均方根束宽和桶中功率解析式,并对不同因素影响下的自耦合特性、光束扩展和桶中功率进行了数值分析。结果表明,部分相干GSM阵列光束在大气传输过程中,当到达某一距离时多束光能合成一个平顶光束,再演变为高斯光束,且阵列光束在大气湍流中的自耦合特性比在自由空间中好;湍流外尺度对光强分布、光束扩展影响很小,可以忽略;部分相干GSM阵列光束与部分相干单GSM光束相比,具有更强的抑制湍流特性,有利于实现远距离通信。

部分相干径向偏振旋转对称幂指数相位涡旋光束紧聚焦特性研究

研究了部分相干径向偏振旋转对称幂指数相位涡旋(RPEPV)光束,即径向偏振多高斯谢尔模RPEPV光束的紧聚焦特性。首先,建立了部分相干径向偏振RPEPV光束的理论模型,并基于RichardsWolf矢量衍射积分理论,研究了部分相干径向偏振RPEPV光束通过高数值孔径物镜后的紧聚焦模型,推导了光束在焦平面的交叉谱密度函数。然后,数值研究和分析了聚焦场的光斑强度、相干度和偏振度的分布特点。研究结果表明,改变光束阶数、拓扑荷数、幂指数和相干宽度等参数,可以获得包括高斯状、平顶状和多边形在内的多种形状的焦斑分布。

径向偏振部分相干扭曲光束在各向异性大气湍流中的传输特性

本文推导径向偏振部分相干扭曲光束(RPPCTB)在各向异性大气湍流中传输因子和空间扩展的解析表达式,主要分析扭曲因子等光束参数及各向异性因子等大气湍流参数对光束传输特性的影响,通过相应的数值模拟计算分析初始相干长度、束腰宽度、波长、扭曲因子、各向异性因子、湍流内尺度、湍流外尺度和广义指数参数对光束传输质量的影响。仿真结果表明,通过减小光束的初始相干长度,增加束腰宽度和波长,可以提高光束的传输质量,而增大光束的扭曲因子,光束有更小的传输因子,这表明通过合理地调控光束的扭曲相位,可以有效提高光束的抗湍流能力。

阵列光束在湍流大气中传输的光强闪烁研究进展

相比单束光,阵列光束由于各光束之间互不相干,可以减小大气湍流引起的接收光强起伏。特别在激光照明和通信等应用场合中,非相干合成光束可以明显提高照明均匀性和减小通信误码率。简要介绍了相干合成阵列光束在湍流大气中传输的光强闪烁研究进展。针对非相干合成阵列光束在减小光强闪烁的优势,回顾了非相干合成阵列光束在激光主动照明、星地激光大气通信方面的实验研究结果;详细总结了子光束为不同类型的非相干合成阵列光束的理论研究方法和结果,包括不同波长光、基模高斯光、部分相干高斯光和艾里光。实际中子光束一般为部分相干光,它们互相之间存在相干性。提出了下一步应深入开展研究的问题为阵列光束大气的光强闪烁。

径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束及其传输特性

近年来,携带扭曲相位的部分相干光束因其独特的性质受到广泛关注。引入一种同时携带扭曲相位和具有特殊空间关联结构的部分相干矢量光束,即径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束,推导了该光束通过ABCD光学系统后的交叉光谱密度矩阵元解析表达式,并研究了它的归一化光强分布、光谱相干度和光谱偏振度的演化特性。研究结果表明,当无扭曲相位时,径向偏振矩形多高斯-谢尔模光束的光强由源平面的空心圆环轮廓逐渐演变成矩形平顶轮廓。相较而言,径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束所携带的扭曲相位不仅会引起光束光斑的旋转,还会引起传播过程中光束的相干度和偏振度的一系列变化。该研究结果为扭曲相位实现新型矢量结构光束的调控提供一定的理论指导,在光束整形、光学微操纵和自由空间光通信等领域有着潜在的应用。

Intensity modulation of a tightly focused partially coherent and radially polarized beam

Because of the circular symmetry of a completely coherent radially polarized beam,the azimuthal intensity component is zero when it is focused by a high numerical aperture(NA) objective.In this paper,we show that such a conclusion is not tenable under the illumination of partially coherent beam whose coherent property depends on the azimuthal angle.Taking the Gaussian Schell-model(GSM) beam for an example,the tight focusing property of a partially coherent beam is studied,and the intensity and its radial,azimuthal and longitudinal components are particularly researched.The results show that the percentage of the components on the total intensity depends on the correlation length of the partially coherent beam.The azimuthal intensity component is produced under the illumination of partially coherent beam.