太赫兹波合束技术的理论研究

设计了太赫兹合束的空间几何模型,计算模拟出了单束、2×1双束以及2×2四束太赫兹束的空间合束图像,并研究了接收距离、高斯光束峰值间距与太赫兹束干涉强度的关系,以及束间相位差对合成的影响.结果表明:2×1、2×2合束模式的峰值强度增大倍数近于4倍和16倍;2×1模式和2×2模式对应的最优太赫兹合成的观测接收距离分别为0.325m和0.223m;光束间距与合成峰值光强成非线性反比关系,不存在最大值或最小值临界点.对2×1模式进行了存在束间相位的合束模拟,得到束间相位差与合成强度的关系,并于相位差为π时达到最小值,故束间相位差虽不可避免,但可以减小.

激光光束的整形技术

本文简要概括了激光光束整形技术的发展和研究现状。就几种典型的光束整形技术,如非球面透镜组整形、微透镜阵列整形、衍射光学元件整形、双折射透镜组整形、液晶空间光调制器和圆锥镜等整形技术作了分类评述和讨论。介绍了各种整形的技术特点和实现方法,指出了这些整形技术尚待解决的一些问题,并展望了它们的可能应用领域和发展前景。

高斯光束通过含失调窄缝光阑的失调光学系统的传输特性

利用硬边窄缝光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式，得出了高斯光束经含失调窄缝光阑的失调光学系统传输的近似解析式。模拟结果表明输出光束场分布与光束参量、光阑尺寸、AB—CD矩阵元、光阑失调量和光学系统失调量有关。针对给定的光学系统和高斯光束定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响．结果表明：光阑横向位移、光学系统横向位移和角位移均引起垂直于z轴截面内明显的光强非轴对称分布。当光阑半宽度为1mm时，光阑的衍射作用使腰斑半径为0．5mm的高斯光束产生-1．586π～1．465π范围的相对相移，且光阑横向位移、光学系统横向位移和角位移均引起焦平面前后相对相移的迅速变化。随光阑宽度变小，各失调量对输出光束特性的影响越明显。

高斯光束微圆孔衍射变换的数值仿真实验

高斯光束的微圆孔衍射变换在微光学、激光技术以及微光机电技术中发挥着基础性作用,通过数值计算模拟实验可以对它进行研究与探索。由菲涅尔-基尔霍夫衍射公式得到单色点源平面屏衍射的积分式,类推得到高斯光束圆孔衍射的积分式,并给出这一积分式的一种数值计算方法。利用Matlab软件进行了高斯光束微圆孔衍射变换的数值仿真实验研究,这有助于激光束的实际衍射实验及其测控理论与技术的研究以及光学教学的改革。

拉盖尔-高斯光束通过光阑-透镜分离系统的聚焦特性和焦移

使用 Collins公式推导了拉盖尔 -高斯光束通过光阑 -透镜分离系统的光强分布。利用数值计算详细分析和说明了其聚焦特性。分析得出光阑 -透镜分离程度的大小影响相对焦移的大小和光强的分布 ,并引起焦移可能相反或消失。而且发现满足一定条件时在一段较大的轴向距离上光强几乎等于光强极大值 ,从而可获得一个较大的光强极大范围。

利用相位光阑实现高斯光束均匀化

高斯光束均匀化是许多应用所要求的。本文提出只用一个简单的相位光阑实现高斯光束强度均匀化的新方法，给出了计算结果。这是一种简单、高效和均匀化程度好的高斯光束均匀化方法。

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。

高斯光束的微圆孔衍射变换的计算及其仿真

由菲涅尔-基尔霍夫衍射公式得到高斯光束的微圆孔衍射的积分式,推导了该积分式的数值算法和解析算法,用Matlab软件进行了仿真实验研究高斯光束的微圆孔衍射变换,有助于激光束衍射实验及其测控理论与技术的研究.

高数值孔径下高斯光束超分辨技术

利用矢量衍射理论,研究了高数值孔径下高斯光束的超分辨特性,对可以实现超分辨的二环和三环相位结构进行了优化求解,分析了环带半径和相位变化对超分辨性能的影响规律,给出了优化方法和优化结果.研究结果表明:当和平面波照明具有相同的旁瓣比时,使用高斯光束照明仍然可以实现光学超分辨;采用二环相位结构时,内环半径的控制比较关键,相位的微小改变对超分辨性能的影响不大,二环相位结构具有加工容差大的优点;三环相位结构在相同旁瓣比的情况下能够达到较大的压缩比和较小的主瓣峰值强度,三环结构的半径和相位的改变对超分辨性能的影响较大,其加工容差要小于二环相位结构;无论二环或三环相位结构,若提高压缩比,必然会引起主瓣峰值强度降低和旁瓣比增大.该研究为高数值孔径下,高斯光束照明时,超分辨光瞳滤波器的优化设计提供了一种新方法.

双曲余弦-高斯光束经微小孔衍射的轴上光强特性

基于横截面上精确表述的光强和瑞利-索末菲衍射积分公式,通过数值计算分析双曲余弦-高斯光束经微小孔衍射的轴上光强特性,详细讨论了偏心参数α、微小孔的孔径a和束腰宽度与波长之比w0/λ对双曲余弦-高斯光束轴上光强的影响。结果表明:双曲余弦-高斯光束的轴上光强分布依赖于偏心参数α、孔径a、w0/λ参数和传输距离。

高斯叠代法研究相控阵栅瓣的优化

高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)是一种新兴的治疗肿瘤的技术,将声波能量聚焦到人体组织内的靶区,产生热效应消融肿瘤组织,而不损伤正常组织.HIFU中的相控阵技术可以根据病灶区域的深度以及大小通过控制多阵元发射声束的相位与幅度,实现焦点的精确控制,并可实现多焦点聚焦及电子扫描.相控阵在聚焦超声治疗应用中不可避免地受到栅瓣的影响,本文结合高斯声束叠加与相控阵技术中的伪逆矩阵算法研究相控阵的声场,并对栅瓣进行优化研究.该方法利用预设焦点参数并应用伪逆矩阵算法得到阵元的激励参数;然后将阵元近似拟合成一组高斯声束的叠加,通过高斯声束叠代计算声场.数值计算中以9×9二维相控阵列为研究对象;线性条件下,高斯叠代法结果与菲涅耳积分结果的误差低于1%,验证了该方法的可行性;二维相控阵在单焦点模式下减小阵元间距可以有效抑制旁瓣,但不能完全抑制.进一步的实验研究将进一步优化理论模型.本文的结果将有效促进相控阵聚焦换能器在HIFU中的应用.

厄米双曲余弦高斯光束通过光阑透镜的位相奇点

对厄米双曲余弦高斯光束通过光阑透镜的位相奇点进行了研究。数值计算结果表明截断参数δ和离心参数b都会影响厄米双曲余弦高斯光束通过光阑透镜的位相奇点分布。随着截断参数的增大,通过光阑透镜的厄米双曲余弦高斯光束的位相奇点发生产生和湮灭,在整个过程中总的拓扑电荷守恒。当b≤0.97时,奇点A,B互相靠近而湮灭;0.97<b≤2.79时,奇点B,C互相靠近而湮灭,奇点A不参与湮灭过程且始终处于焦平面上。随着离心参数b的继续增大,将有不同的奇点参与类似的分裂和湮灭过程。通过数值结果阐明了通过光阑透镜的厄米双曲余弦高斯光束位相奇点的产生和湮灭过程。

相位翻转厄米-高斯光束的传输特性

将相位翻转高斯光束的概念推广到相位翻转高阶模光束.以相位翻转厄米-高斯光束为例,推导出相位翻转高斯光束通过近轴理想(无光阑)ABCD光学系统,以及带刀口和光阑的ABCD光学系统传输的递推方程,并用以研究相位翻转高斯光束的传输特性.特别是,得出对TEM1、TEM2和TEM3模相位翻转高斯光束,光阑效应可以忽略的条件分别是截断参量δ≥2.1,2.5和3.0.

相位倾斜对L-G光束焦开关的影响

研究了相位倾斜L-G光束通过光阑--透镜分离系统的焦开关现象。着重研究相位倾斜对焦开关现象的影响。研究结果表明,相位倾斜影响了相对焦移量、相对跃变量和焦开关发生的位置,同时也影响焦开关出现时截断参数的取值范围。另外,截断参数也会影响焦开关发生的位置。

超高斯光束经有方环光阑透镜的传输特性

本文详细研究了超高斯光束经有方环光阑透镜的传输特性 ,讨论了遮拦比、球差和超高斯光束的阶数对光强分布的影响。研究表明 ,使用负球差聚焦透镜可获得比无球差透镜在实际焦面上可聚焦性更好、能量更集中的光束。

相位倾斜H-G光束的焦开关现象

研究了相位倾斜H-G光束通过光阑-透镜分离系统的焦开关现象.基于Collins公式,解析地推导出相位倾斜H-G光束的轴上场分布的递推公式,着重研究相位倾斜对焦开关现象的影响.研究表明,相位倾斜影响了相对焦移量和相对跃变量,但不影响焦开关发生的位置.另外,当相位倾斜畸变较小时,截断参数在cαmin≤α≤αcmax内取值,有焦开关现象产生;研究还发现相位倾斜畸变在一定范围时,产生焦开关现象的截断参数取值范围可以只有下限没有上限.

光束在左手材料中的强度和相位旋转特性

建立了左手材料中拉盖尔高斯光束传输模型,通过研究拉盖尔高斯光束的相位分布来分析光束的强度旋转特性。具体分析了光束参数模式、Gouy相、频率和色散对光束强度和相位旋转特性的影响。研究发现:方位角相差是导致光束强度旋转的主要原因;负折射率引起的逆的Gouy相移将会导致光束强度反转;在正常色散区左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相同的,而在反常色散区,左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相反的。

二元矩形位相光栅用于高斯光束的空间整形

本文研究了透射式二元矩形位相光栅实现高斯光束空间整形的基本原理，并作了理论推导；提出了光栅加工的技术指标，对实验工作作了具体描述，并分析了实验结果。透射式二元矩形位相光栅的主要技术指标为：栅槽宽度：１．５ｍｍ；栅槽深度：０．５５μｍ；光栅有效尺寸：１５ｍｍ；透射率：大于９０％；波长覆盖：０．５５μｍ～０．６５μｍ；破坏阈值：平均功率１０Ｗ。整形参数：功率效率：大于７５％；能量效率：大于９０％；衍射距离要求：大于１０ｍ；整形后光束强度的径向非均匀起伏：小于９．３％。

超高斯涡旋光束在空间中的传输特性

研究了超高斯涡旋光束光强最大值、光斑半径以及环围能量半径等参数随传输距离和拓扑荷数的变化规律,并与高斯涡旋光束做了比较,结果表明:超高斯涡旋光束的光斑半径和环围能量半径随拓扑荷数及传输距离呈近似线性关系;对同一拓扑荷数和传输距离,高斯涡旋光束的能量较超高斯涡旋光束要发散;当拓扑荷数较大时,超高斯涡旋光束的光斑半径比高斯涡旋光束更大。针对光束质量研究了广义光束质量因子随传输距离和拓扑荷数的变化,结果表明传输距离足够远时,拓扑荷数较小的超高斯涡旋光束具有更好的光束质量。

高斯波束传播特性研究

文章阐述高斯波束基本理论,分析比较高斯波束的主要描述方法,基于角谱展开法推导电磁场的表达式,研究过波束轴线的切面上波束宽度内场强及相位分布,发现高斯波束场能量主要分布在轴线附近,远离轴线时呈指数衰减。