聚焦部分相干涡旋光束作用于不同折射率瑞利粒子上的辐射力

使用聚焦部分相干高斯谢尔涡旋光束,对不同折射率的瑞利粒子的辐射力做了分析,着重研究了相关长度和束腰宽度对辐射力和俘获稳定性的影响。结果表明:相关长度和束腰宽度分别存在临界值,相干长度小于等于其临界值或束腰宽度大于等于其临界值时,可利用其俘获相对折射率大于1的微粒;而在相关长度大于其临界值或束腰宽度小于其临界值时,可利用其俘获相对折射率小于1的微粒。对俘获稳定性的分析表明,需选择适当的相关长度和束腰宽度才能稳定俘获瑞利粒子。

部分相干涡旋光束形成的相干涡旋特性研究

推导出部分相干涡旋平顶光束的传输解析公式,并用以研究了聚焦场和自由空间中部分相干涡旋光束形成相干涡旋的特性.结果表明,相干涡旋与光束阶数N,空间相干参数α和参考点位置(x1,y1)有关.依赖于参考点的选择,光谱相干度可能存在零值点,也可能没有零值点.特别是,若选取x1=y1=0,光谱相干度零值点处的位相可以是确定的,因而不存在相干涡旋.

部分相干涡旋光束通过大气湍流上行和下行传输的比较研究

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,以高斯-谢尔模型(GSM)涡旋光束作为典型的部分相干涡旋光束,推导出GSM涡旋光束通过大气湍流斜程传输的平均光强、均方根束宽和交叉谱密度函数的解析表达式,并用以研究了大气湍流中上行和下行对GSM涡旋光束传输和对相干涡旋的影响.结果表明,在相同条件下,GSM涡旋光束下行传输受大气湍流的影响要小于上行传输,下行传输时相干涡旋拓扑电荷守恒距离要长于上行传输.对所得结果做了物理解释.

部分相干涡旋光束传输中的光斑分析

在近轴光束近似条件下,采用交叉谱密度传输公式推导了部分相干涡旋光束传输一段距离后观测平面上交叉谱密度矩阵元的解析表达式,在此基础上对观测平面上的光强分布进行了分析.研究表明,和完全相干涡旋光束不同,部分相干涡旋光束传输后光斑中心点的光强会逐渐凸现出来,随着传输距离的增加,观测平面上的光强会逐渐演变为类似高斯型分布的特性.这种演变规律与源平面上光源的拓扑电荷数和相干长度有关,在其他参数不变的情况下,拓扑电荷数越小,相干长度越短,演变为高斯型光斑的速度越快.最后针对一阶部分相干高斯涡旋光束,通过观测平面上光强极值研究,对光斑随传输距离演变的过程进行了详细的分析,在理论上对这种演变规律给出了严格的证明.

部分相干涡旋光束在大气湍流中传输时的光强分布

根据广义惠更斯-菲涅耳原理和交叉谱密度函数的表达式,推导出部分相干高斯-谢尔涡旋光束在大气湍流中传输时光强分布的积分形式,通过一些特殊积分处理得到完整的解析表达式,分析讨论了传输距离、湍流强度和光束自身参数等对光束光强分布的影响。结果表明:部分相干涡旋光束在大气湍流中传输时,随着传输距离的增加,光强分布逐渐由空心分布转化为高斯分布;当拓扑荷数为0时,随着传输距离的增加,光强分布一直保持高斯分布;在湍流强度不变的情况下,拓扑荷数越小,相干长度越短,束腰宽度越长,光强分布由空心分布转化为高斯分布所需要的传输距离越短。

部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱中的模态强度

为了探究部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱中模态强度的演化规律,基于广义的Huygens-Fresnel原理和Rytov近似理论,推导了部分相干Airy涡旋光束的轨道角动量模态概率的解析式。结合MATLAB的数值模拟,研究了部分相干Airy涡旋光束在非Kolmogorov谱湍流大气中传输时湍流参量和波束参量与涡旋模态强度的关系,对部分相干Airy涡旋光束的相干宽度在传输过程中对模态强度的影响进行了理论分析。结果表明,选取拓扑荷数较小、主亮环半径较大、波长较长的部分相干Airy涡旋光束能有效减缓湍流效应的影响,减小强湍流中模态间的串扰;较大的湍流谱幂指数和较小的探测器孔径直径能提高部分相干Airy涡旋光束的模态强度;与完全相干涡旋光束相比,部分相干涡旋光束具有较强的湍流阻力,在大气湍流中能有更好的传输性能,相干性较差会导致螺旋谱分布弥散。这些结果对自由空间光通信的研究具有一定的参考价值。

衍射效应诱导涡旋光束的偏振度变化

基于惠更斯-菲涅耳衍射原理以及部分相干光的相干与偏振的统一理论,研究了衍射效应诱导部分相干涡旋光束的偏振度变化.通过理论分析与数值计算表明,部分相干涡旋光束经圆孔衍射后偏振度将发生变化,在衍射场中光束的偏振度分布情况与入射光束的相干度、入射光束的拓扑电荷数、衍射孔径的大小等因素有关.

圆环衍射效应下涡旋光束的光强变化

为了分析拓扑电荷数以及相干性对部分相干涡旋光束的影响,利用部分相干光的统一理论和惠更斯-菲涅耳衍射原理,推导出随机电磁涡旋光束在自由空间中传播时,尤其是部分相干涡旋光束经圆环衍射后光强的计算公式,研究了部分相干涡旋光束通过圆环后的夫琅和费衍射特性。通过理论分析与数值计算表明,部分相干涡旋光束经圆环衍射后的光强分布情况与入射光的相干度、入射光束的拓扑电荷数、衍射孔径的大小等因素有关。当入射光束的拓扑电荷数越大,相干长度越长,衍射孔径越小时,衍射光束的光强分布会更加清晰,衍射效果也更加明显。

聚焦部分相干平顶涡旋光束对瑞利粒子的捕获

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和瑞利散射理论,推导了聚焦部分相干平顶涡旋(partially coherent flat-topped vortex,PCFTV)光束作用在瑞利微粒上辐射力的表达式,主要研究聚焦PCFTV光束对不同折射率的两种粒子的捕获情况。研究结果表明,聚焦PCFTV光束可以在焦点处捕获高折射率和低折射率的粒子。随着光束阶数的增大以及相关长度的减小,光束对微粒的捕获能力增强。所得结果对PCFTV光束应用于光学操控具有一定的意义。

部分相干高斯涡旋光束电场和磁场的光谱Stokes奇点

以傍轴高斯涡旋光束为例,对部分相干涡旋光束的磁场在源平面的光谱Stokes奇点变化规律做了研究,并与部分相干光束电场的光谱Stokes奇点做了比较。研究结果表明,部分相干高斯涡旋光束在源平面内,存在着磁场和电场的光谱Stokes奇点。适当改变光束束腰宽度以及离轴量等光束控制参数会出现磁场和电场的光谱Stokes奇点的移动、产生和湮灭。与部分相干光束电场的光谱Stokes奇点比较表明,二者并不重合且拓扑电荷不同,但具有一定的对称性。磁场和电场的光谱Stokes奇点在变化过程中满足拓扑关系。

部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中的光强分布

根据广义惠更斯-菲涅耳原理以及交叉谱密度函数,利用Kolmogorov湍流谱推导得到部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中传输时光束的光强分布表达式,讨论了离轴距离、拓扑荷数、束腰宽度、相干长度、传输距离、湍流强度参数对光强分布的影响。仿真结果表明,拓扑荷数的大小不会改变暗核的位置;离轴距离的正负号决定了暗核移动的方向和光强集中区域的方向;暗核向上移动的距离随相干长度、束腰宽度的增大而减小,随传输距离、湍流强度的增大而增大;光斑展宽随相干长度、束腰宽度、传输距离、湍流强度的增大而增大。

部分相干双曲正弦-Gauss涡旋光束叠加形成的合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中的动态演化

一些实验表明,实际大气会偏离理想Kolmogorov模型.本文基于广义Huygens-Fresnel原理和Toselli等提出的非Kolmogorov湍流模型,推导出部分相干双曲正弦-Gauss(HSG)涡旋光束通过非Kolmogorov大气湍流的解析传输公式,并用以对两束部分相干HSG涡旋光束相干叠加和非相干叠加形成的合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中的动态演化进行了研究.结果表明,合成光束平均光强的演化过程与非Kolmogorov湍流的广义指数α,源平面上叠加涡旋光束拓扑电荷的符号,以及叠加方式有关.合成相干涡旋在非Kolmogorov大气湍流中传输时会出现移动、产生和湮灭.广义指数α,拓扑电荷符号,以及叠加方式都会影响其演化行为.最后,将本文所得结果与相关文献做了比较.

部分相干扭曲涡旋光束在大气湍流中的传输

研究各向异性大气湍流中部分相干扭曲涡旋光束(PCTVB)的M^(2)因子,并对其进行了数值模拟。研究结果表明,通过联合调控PCTVB的扭曲因子和涡旋因子,能有效降低湍流对光束传输质量的影响:调控扭曲因子和拓扑荷越大,PCTVB能更加有效地抑制湍流对光束传输质量的影响;调控扭曲因子和拓扑荷同号,PCTVB的抗湍流能力得到增强。对传统高斯谢尔模光束(GSMB)与PCTVB的M^(2)因子进行了比较,结果表明PCTVB的抗湍流能力明显强于传统GSMB。此外,还发现各向异性因子可以弱化湍流对光束传输质量的影响,且各向异性因子越大,湍流对光束传输质量的影响越小。

部分相干椭圆涡旋光在湍流下的相干特性演化

基于广义惠更斯-菲涅耳定理,对部分相干椭圆涡旋光在各向异性非Kolmogorov湍流下光谱密度、相干度及相干涡旋的演变进行研究,其中重点探讨相干涡旋作为部分相干涡旋光束的重要特性。研究发现,椭圆率、相干长度及湍流参数均影响守恒距离,且部分相干椭圆涡旋光在传输过程中新生的相干涡旋点比部分相干圆涡旋光新生的相干涡旋点更易分离。

圆环衍射效应下涡旋光束的偏振度传输

利用部分相干光的相干与偏振的统一理论和2×2交叉谱密度矩阵传输规律,推导出随机电磁涡旋光束经圆环衍射后偏振度的计算公式。在这些理论基础上,研究了随机拉盖尔-高斯光束在传播过程中偏振度的变化。分析表明,部分相干涡旋光束经圆环衍射后偏振度将发生变化,在衍射场中光束的偏振度分布情况与入射光的相干度、入射光束的拓扑电荷数、衍射孔径的大小等因素有关。

电磁反常涡旋光束在各向异性大气湍流中的偏振特性

本文研究了部分相干电磁反常涡旋光束(PCEAVB)通过各向异性non-Kolmogorov大气湍流后的偏振度和偏振态的变化。研究结果表明,PCEAVB的偏振度分布为同心的圆环,而随着光束阶数n和拓扑荷数m的增大,同心圆环数逐渐增加,分布越密集。光束阶数n越高、拓扑荷数m越低,高偏振度分布区域越趋于中间区域;反之,则趋于外环分布。PCEAVB的偏振态随着传输距离z的增加由均匀线偏振变成非均匀线偏振,偏振角呈现圆环状分布,且偏振角较大的区域随着传输距离z的增大而逐渐向外环移动。拓扑荷数m越大、光束阶数n越小,PCEAVB的偏振角较大的区域越靠近于中心区域。而且光束阶数n和拓扑荷数m越大的PCEAVB,偏振态受到湍流的影响越小。且各向异性越强的大气湍流对PCEAVB的影响越小,光束演化得越慢。