部分相干电磁厄米-高斯光束通过湍流大气传输的偏振特性

采用相干性和偏振性统一理论,推导出了部分相干电磁厄米-高斯(EHG)光束在湍流大气中传输时偏振度的解析式,并给出了偏振度保持传输不变的条件。研究表明,部分相干电磁厄米-高斯光束的偏振度由大气折射率结构常数、光束相关长度、厄米多项式阶数、光束初始偏振度相关常数和观察点位置共同决定。经过足够长的传输距离后,光束的偏振度将趋于源平面处的初始值,并与光束相关长度、厄米多项式阶数以及湍流的强弱均无关系。电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束通过湍流大气传输时光束偏振度的变化作为所得结果的特例给出。

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.

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。

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。

厄米-高斯电磁光束在杨氏干涉实验中的偏振度变化

基于随机电磁光束相干和偏振性的统一理论和交叉谱密度矩阵传输公式,将杨氏双缝干涉实验作为双缝衍射现象来处理,在考虑缝宽情况下,研究了厄米-高斯电磁光束在杨氏干涉实验中的偏振度变化,讨论了入射厄米-高斯电磁光束的偏振度、自相关和互相关长度、模阶数和双缝的遮拦比对观察屏上偏振度的影响。结果表明:观察屏上的偏振度随双缝面上偏振度和互相关长度的增加而增大,随自相关长度减小而增大;当模阶数为偶数时,观察屏轴上偏振度取极大值,模阶数为奇数时,取极小值。

部分相干电磁光束在湍流介质中传输的偏振变化

从推广的惠更斯-菲涅尔原理出发,推导出了部分相干电磁光束的偏振态在湍流介质中传输的表达式。并以电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束为例,研究了湍流对电磁高斯-谢尔模型光束偏振态的影响。研究结果表明,对于轴上点,湍流介质的折射率结构常数越大,偏振度趋于最大值的速度越快,达到的最大值越小;光斑越大,偏振度达到最大值的位置离光源越远,在光斑增大的过程中,偏振度所达到的极大值会先增大后减小,最后保持与光源相同的偏振度不变。对于轴外点,一个固定的z,光的偏振度随着离轴距离的增大而逐渐下降,并最终等于零。折射率结构常数越大,偏振度随离轴距离的增大而下降得越缓慢;光斑越大,偏振度随离轴距离的增大下降得越快。

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。

部分相干电磁光束在湍流大气中传输的交叉偏振度

推导部分相干电磁高斯-谢尔模型光束在湍流大气中的交叉谱密度矩阵.根据交叉偏振度的理论,研究部分相干电磁光束在湍流大气中的交叉偏振度的变化情况.研究表明,部分相干电磁光束的交叉偏振度由大气折射率结构常数、光源相关长度、光束初始偏振度和观察点位置决定.交叉偏振度不同于一般偏振度,它的值不再仅仅局限在0～1,而是可以取任何非负值.同时也发现,与一般偏振度的分布趋势截然不同,交叉偏振度在湍流大气中会呈先扩散,后压缩的分布趋势.同时,当相关长度取值相等时,部分相干电磁光束在湍流大气中传输的交叉偏振度不再发生变化.

部分空间相干部分光谱相干厄米-高斯脉冲电磁光束的偏振特性

基于非稳态场的相干理论,对部分空间相干部分光谱相干二维厄米-高斯脉冲电磁光束在自由空间传输时的偏振特性做了详细的数值研究。结果表明,脉冲电磁光束的偏振度分布由光束阶数、光束的空间相关长度、时间相干长度和场点位置等因素共同决定。研究表明,当空间相关长度趋于零或无穷大时,轴上点偏振度趋于一固定值,与光束阶数和场点位置无关。光束阶数较大或传输距离较远时,轴上点偏振度随时间相干长度的增大而增大,随脉冲宽度的增大而减小。光束阶数越大,横截面上偏振度P=0出现的次数越多。

非傍轴部分相干光束传输的仿真

半导体激光器具有体积小、效率高等优点,广泛应用于激光通信、光信息处理等方面,但与其他激光器相比有较大的光束发散角,对这类激光束来说,傍轴近似失效。文章运用交叉谱密度函数针对半导体激光束建立了一个模型—非傍轴部分相干TEM11厄米-高斯(HG)光束,并对这类光束在自由空间中的传输特性进行了计算机仿真。发现f和fσ两参数对部分相干TEM11HG光束的非傍轴性起着至关重要的作用。另外,f和fσ的大小关系还决定了远场光强分布的形状。

大气湍流对部分相干厄米-高斯光束空间相干性的影响

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,并采用Rytov相位结构函数二次近似,推导出了部分相干厄米-高斯(H-G)光束通过大气湍流传输的光谱相干度公式,研究了湍流对光束的空间相干特性的影响.研究表明,部分相干H-G光束通过大气湍流传输其光谱相干度会出现振荡和相位奇异现象,但随着湍流的增强,振荡减弱,直至振荡和相位奇异现象消失,这一特性与高斯-谢尔模型光束的差异很大.光束的相干参数越小,光束空间相干性受湍流的影响也越小.此外,还研究了光谱相干度二阶矩宽度与光谱强度二阶矩宽度间的关系,得到一些有意义的结果,并给出了合理的物理解释.

部分相干厄米-双曲正弦-高斯光束通过湍流大气传输的平均光强分布演化和角扩展

推导出部分相干厄米-双曲正弦-高斯(H-ShG)光束通过湍流大气的平均光强和角扩展的解析表示式,并用以研究了部分相干H-ShG光束在湍流中的平均光强分布演化和角扩展.结果表明,折射率结构常数C2n的增加和空间相关长度σ0的减小都会加速演化过程.引入相对角扩展来定量描述光束抗拒湍流的能力.空间相关长度σ0,束腰宽度w0和双曲正弦部分参数Ω0越小,光束阶数m,n越大,部分相干H-ShG光束的角扩展受湍流的影响越小.

部分相干厄米-高斯列阵光束通过湍流大气传输的方向性

推导出了部分相干厄米-高斯(H-G)列阵光束通过湍流大气传输的二阶矩束宽和远场发散角的解析公式。采用远场发散角作为光束方向性的评价参数,研究了部分相干H-G列阵光束通过湍流大气传输的方向性。研究表明:在一定条件下,部分相干H-G列阵光束与对应的高斯光束不论在自由空间还是湍流大气中均具有相同的方向性。此外,进一步研究发现,在自由空间中,由远场发散角和归一化远场平均光强分布所表征的部分相干H-G列阵光束的方向性是不一致的,但湍流可以使得两种描述相一致。这一结论与高斯-谢尔模型(GSM)列阵光束的相关结论存在差异。在自由空间中,与高斯光束具有相同远场发散角的非相干合成的GSM列阵光束与对应的高斯光束具有相同的归一化远场光强分布。

非傍轴部分相干厄米-高斯光束的相干和非相干合成

推导出二维非傍轴部分相干厄米-高斯(H-G)光束相干合成和非相干合成的交叉谱密度和光强的解析公式,并分析了一些特例.合成光束的光强不仅决定于f参数,fσ参数,离轴参数,合成光束的束数和阶数以及传输距离z,而且还决定于合成方式.对部分相干光的相干合成和非相干合成概念做了物理诠释,其正确性为数值计算例证实.

非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束远场传输特性

为了研究非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束远场传输特性,从非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束概念出发,运用Wigner分布函数,对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束远场特性进行了理论分析,得出了一阶情况下的解析传输公式及光强分布表达式,根据仿真结果分析出表达式中3个主要参数f、fσ、g对厄米-余弦-高斯光束在自由空间传输的影响,在调制参数g一定时,束腰参数f和相干参数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当g不变时,其远场发散角的渐进值也会因fσ的增大而减小.

部分相干复宗量厄米-高斯光束捕获两种类型粒子

基于互谱密度函数和瑞利散射理论,推导了聚焦部分相干复宗量厄米-高斯光束的光强分布和作用在瑞利电介质球上辐射力的解析表达式,并进行了相应的数值计算。结果表明:当横向相干长度较大时,聚焦部分相干复宗量厄米-高斯光束具有空心光束的轮廓,空心的尺寸随着光束阶数的增加而增大;随着相干度的逐渐减小,聚焦部分相干复宗量厄米-高斯光束逐渐转化成高斯光束,光强的峰值随着光束阶数的增加而减小。通过改变光束的相干度,选择合适的光束阶数、光束腰宽及透镜的焦距长度,可实现对折射率不同的两类粒子的大范围、稳定捕获,所得结论对光学捕获具有一定的理论参考价值。

部分相干厄米高斯光束在海洋湍流中光束传输质量的变化

利用近年来发展的描述海洋湍流的空间功率谱函数,结合数值积分的方法计算并绘制了广义惠更斯菲涅耳积分中湍流项的大小随湍流参数变化的曲面图。继而通过魏格纳分布函数和光束二阶矩的定义模拟了部分相干厄米高斯(PCHG)光束的M2因子在海洋湍流中的变化情况,分析了光源参数的选择对于光束传输质量因子的影响。最后通过M2因子矩阵,计算了非旋转对称二维PCHG光束传输质量随旋转角α变化的轨迹图。发现随着传输距离的增大,在接收面上,光斑因x,y方向上模式的不同而造成轨迹图的形状的不同将逐渐消失,趋近于相同的圆形轨迹。

复宗量厄米_高斯光束的相干模表示

基于激光的相干模分解理论,讨论了复宗量厄米_高斯(EHG)光束的模相关和相干模表示,推导出EHG光束的模相关系数的解析表达式,并给出了一种只包含有限个模式的相干模表示.在此基础上,根据EHG光束的模结构,分析了EHG光束和常规厄米_高斯(SHG)光束M^2因子的差异.

激光通过非Kolmogorov大气湍流传输光束扩展区间的研究

激光通过大气湍流传输,光束扩展主要由空间衍射和大气湍流两个物理机制确定,而大气湍流对光束扩展的影响又与光束空间衍射特性相关。研究了部分相干厄米-高斯(H-G)光束通过非Kolmogorov大气湍流传输光束扩展区间问题,把光束扩展按传输距离划分为三个区间,造成这三个区间的光束扩展的主要物理机制依次是:空间衍射、空间衍射和大气湍流、大气湍流。详细研究了部分相干H-G光束参数和大气湍流参数对这三个区间范围大小的影响,以及第一个光束扩展区间与光束瑞利区间的关系,并对主要结果给出了合理的物理解释。