部分相干多离轴涡旋矢量光束的传输特性

基于相干与偏振的统一理论,采用傅里叶变换和卷积定理的方法,研究了携带多个离轴涡旋相位的径向偏振矩形对称余弦-高斯关联结构光束的传输特性.结果表明,该光束因其独特的空间相干结构而具有自分裂特性,可以分裂成4束完全相同的子波瓣.更重要的是,多离轴涡旋相位的调制可以作用在每个子波瓣上.当相干度较大时,通过调制光束的离轴涡旋数量N_(0)和光束阶数可以在焦平面处产生具有三角形或正方形等多边形空心光强分布的光斑阵列,并且每个子波瓣上对应的偏振态呈现倒三角形或斜正方形的椭圆分布.当相干度较小时,部分相干光束的空间相干性调控占主导作用,多离轴涡旋相位的调制效果消失,每个子波瓣的光强退化成高斯形式分布,但其偏振态分布仍保持不变,与光束阶数和相干长度无关.此外,当利用障碍物遮挡住其中一个离轴涡旋相位时,光束仍具有一定的自修复能力.然而,若将其中一个离轴涡旋相位完全遮挡住,此时每个子波瓣的强度分布和偏振态分布都遭到破坏,会出现不同程度的“缺口”.

光学课程中光栅内容的延伸与拓展实验

光学课程是应用物理学和光电信息科学与工程专业一门重要的专业基础课程,与专业方向密切相关,强调理论与实验相结合.针对光学课程的特点和教学要求,我们探索教学方法和形式的改革,把光学前沿研究实验与光学基础理论知识结合,通过拓展实验加深学生对基础知识的理解,提高学生对相关光学前沿研究的兴趣.以涡旋光产生的实验为例,探讨基于空间光调制器从设计和制备光栅到光栅衍射,加深学生对光栅和光栅衍射的认识和理解;从涡旋光进一步认识光场的空间强度分布、螺旋相位和轨道角动量,激发学生对光学前沿的研究兴趣.实践表明,新的光学前沿拓展实验能增强学生的学习兴趣,提高教学质量,激发学生的研究和探索热情,有利于培养学生的创新意识和创新能力.

结构光通过复杂孔的衍射与干涉

光的衍射和干涉图样常被用来研究物质的内部结构,高效模拟产生复杂结构的干涉和衍射对物质内部结构的研究具有重要意义.实验利用结构光场和分形复杂孔模拟物质内部的复杂结构,并通过空间光调制器实现实验研究及实验结果的分析处理.利用数字螺旋成像技术模拟衍射干涉图样,为复杂结构的干涉与衍射的模拟提供了有效的解决方案.

Study correlation vortices in the near-field of partially coherent vortex beams diffracted by an aperture

We have derived the analytical expression of the electric cross-spectral density in the near- field of partially coherent vortex beams diffracted by an aperture. Taking the Caussian Schell-model vortex beam as a typical example of partially coherent vortex beams, the spatial correlation properties and correlation vortices in the near-field of partially coherent vortex beams diffracted by a rectangle aperture are studied. It is shown that the off-axis displacement, spatial degree of coherence parameter, propagation distance, and the opening factor of the aperture affect the spectral degree of coherence and positions of correlation vortices. With the optimization algorithm, we obtain the symmetric distributing coherent vortex.

空间光调制器模拟光栅产生高阶和分数阶涡旋光束

用空间光调制器模拟叉形光栅的方式产生高阶和分数阶涡旋光束,分离各阶涡旋光束并探究单级特性,探测其拓扑荷数以验证实验方法的正确性。设计了涡旋光束生成光路,编写了产生叉形光栅全息图的计算机程序,利用透射式空间光调制器模拟叉形光栅,以全息图的方式加载到空间光调制器上。调节参数改变全息光栅图样,得到拓扑荷数从1.0到100.0的整数阶与间隔为0.1的分数阶涡旋光束。利用孔径光阑分离出一级衍射,分析其特性并利用干涉法测量其拓扑荷数。实验发现,整数与分数阶光场分布与拓扑荷数为单调关系,拓扑荷数接近100时光束质量显著下降的特性,利用干涉法测得的拓扑荷数与计算全息图设置的参数完全相同。干涉测量结果验证了计算全息方法的正确性。该方法装置简易、参数可调,可为高阶和分数阶涡旋光的产生和应用提供一定的参考。

东北冷涡背景下强对流天气的基本特征分析

利用呼伦贝尔市CIMISS系统实况资料,统计分析了2010—2021年5—9月东北冷涡背景下的强对流天气时空分布及物理量参数特征。结果表明:(1)5月雷暴大风次数最多,6月冰雹次数最多,6—8月是短时强降水集中发生期,尤以8月次数最多。(2)强对流天气主要出现在12:00—20:00,其中短时强降水每个时次均有发生,但雷暴大风与冰雹天气在21:00—次日08:00基本没有发生过。(3)大兴安岭西部雷暴大风站次较多;大兴安岭东北部、岭上及岭西北的冰雹站次较多;短时强降水与强对流天气空间分布特征较为一致,均是大兴安岭岭上南段与岭东的站次较多。(4)雷暴大风天气的风速多以17.2~20.7 m·s^(-1)为主;短时强降水量级为20.0~29.9 mm的站次占总站次的74.3%;持续时间小于5 min冰雹居多,直径小于5 mm冰雹的站次占总站次的49.1%。(5)短时强降水850 hPa的比湿、水汽通量、水汽通量散度的物理量参数均值均大于冰雹、雷暴大风;短时强降水K指数均值大于冰雹、雷暴大风,T850-T500均值大于26℃,短时强降水与冰雹的SI均值相当,比雷暴大风值小;对流有效位能均值相差不大,以短时强降水最大;短时强降水垂直速度大于冰雹、雷暴大风;短时强降水0℃层与-20℃层高度均值远高于冰雹、雷暴大风。

基于二维叉形光栅的涡旋光束分束阵列产生

首先设计了一种二维叉形光栅结构,并基于夫琅禾费衍射理论,得到了高斯光束通过该光栅的焦平面场分布表达式。数值模拟结果表明,当高斯光束通过二维叉形光栅调制后,在焦平面处产生了由不同拓扑荷涡旋光束组成的3×3涡旋光束阵列,且各个子光斑的拓扑荷数与光栅结构、衍射级次有关。其次,进行了实验验证。将二维叉形光栅相位图加载到空间光调制器SLM上,当高斯光束经SLM反射后,在焦平面处同样接收到3×3涡旋光束阵列,且与数值模拟的结果相符。研究结果表明,利用二维叉形光栅结构可实现涡旋光束分数阵列的产生,这将为不同拓扑荷涡旋光束的模式复用,实现光通信容量的增加技术支持,在光通信领域具有应用潜力。

叉形光栅法产生分数阶涡旋光的实验探究

衍射和光栅是基础光学课程和光学实验的重要内容,在传统光学技术和前沿科学研究中有重要的作用和应用。文章以分数阶涡旋光为研究对象,利用空间光调制器设计了基于叉形光栅的衍射效应产生分数阶涡旋光的实验,编写了分数阶叉形光栅的计算机程序,实验上产生和观测了分数阶涡旋光,分析了分数阶涡旋光的特点和强度分布。通过本实验,学生进一步加深了对衍射和光栅特性的理解,激发了对光学前沿研究和探索的兴趣,拓展了学生的专业知识,提升了对光学研究和光场调控的创新意识。

基于相位全息法的高阶和分数阶涡旋光产生方法及性能研究

为了进一步探索高阶和分数阶涡旋光的高效产生方法,利用相关计算程序模拟了涡旋光相位全息图,搭建了相位全息法产生涡旋光的光路,研究了整数和分数阶涡旋光的光场分布特点。实验结果表明:当产生轨道角动量拓扑荷数l=1~200整数阶的涡旋光时,涡旋光束图的中心暗斑在一定范围内会随拓扑荷数的增大而增大,超过一定数值范围后,受限于仪器参数的涡旋光质量会降低;当产生l=8.1、8.4、8.8分数阶的涡旋光时,涡旋光相位出现分数分布,径向缺口随分数阶拓扑荷数增大而逐渐向整数阶演化。

基于相位计算全息的完美涡旋光产生和调控方法

空间光调制器模拟锥透镜法是目前最为广泛使用的产生完美涡旋光的方法,但是该方法无法调控光束环宽,为了解决这个问题,提出了使用傅里叶空间相位计算全息法产生、调控完美涡旋光。通过理论分析和实验测量证明,改变编码相位可以实时调控完美涡旋光的光环半径、环宽和拓扑荷数。该方法光路简单,产生的光束质量高,且光路只需进行一次调整,操作简便。另外,该方法还具有通用性强的优点,可用于产生各类变形完美涡旋光。实验产生了不同参数的椭圆形完美涡旋光,实验测量结果与理论结果吻合得很好。因此,傅里叶空间相位计算全息法是一种简便、通用、实用性更强的完美涡旋光产生、调控方法。

近40年来塔什干低涡活动特征的统计分析

利用1971—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料,根据塔什干低涡定义,分析了塔什干低涡的时空分布特征、移动路径及其对南疆天气的影响。结果表明:(1)1971—2010年,塔什干低涡过程平均每年出现7.95次,成熟期生命史平均为3.1天,4天以上的仅有13.5%;(2)4—6月和9—10月是塔什干低涡活动的两个高峰期,其中5月出现次数最多,其次是10月和6月;(3)塔什干低涡频次的年代际变化呈抛物线型,1970-1980年代由78次增加到83次,之后逐渐减少,年低涡频次存在7年左右的显著振荡周期,同时具有13年的次振荡周期;(4)塔什干低涡活动有两个高频中心,分别位于67.5°E,40.0°N和72.5°E,35.0°N,移动路径以偏东方向为主,占84%,西退塔什干低涡仅有5.7%;造成南疆显著降水天气的塔什干低涡占其总数的23.3%,夏季此类低涡所占比例最高,达41.2%。

高质量光学涡旋阵列的实验研究

将光学涡旋与计算全息技术相结合,提出一种高质量光学涡旋阵列的产生方法.从理论上研究了光学涡旋阵列的形成和分布特征,并模拟仿真产生涡旋光束阵列.基于面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息方法编码生成光学涡旋阵列的全息图,利用单个反射式空间光调制器光电再现了与理论一致的光学涡旋阵列,并通过马赫-增德尔干涉法对生成的光学涡旋阵列进行验证.产生的高质量光学涡旋阵列提供了更复杂的结构分布和更多的可控参量,且实验光路易实现.研究结果在光学微操控、光通信等领域具有潜在应用价值.

南极海冰和极涡指数的时空特征及相互关系

本文采用聚类分析方法将南极海冰距平划分成５个变化相似的区域。并计算了对应各区的南半球５００ｈＰａ极涡面积和强度指数。分析了海冰与极涡指数的时空特征及相互关系。结果表明，不同区域的海冰和极涡的气候特征和年际变化的差异十分显著。１区和４区的海冰变化最大。海冰范围和极涡指数在多数区都在２—２．５ａ和５—７ａ的振荡周期。仅发现１区海冰范围是扩张趋势，其他４个区都呈收缩趋势。南极平均海冰范围以１．６个纬度／１０２ａ的趋势减小。南半球各区极涡面积都是呈显著的减小趋势。３个区的极涡强度呈增强趋势。各区海冰与极涡的相互关系十分明显，但比较复杂。海冰与大气相互作用的最敏感区是在５区和１区，即东南太平洋至南大西洋地区。

轨道角动量叠加态的产生及其检验

带有螺旋相位分布的波束都具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),其螺旋相位取决于OAM态拓扑荷数。理论分析了叠加涡旋光束的相位及光场分布,然后将叠加态涡旋光束的相位分布图加载到空间光调制器上产生了多态涡旋光束,讨论了不同拓扑荷数叠加时光场衍射图的分布情况。实验结果表明,叠加态的涡旋光束光场衍射图随着叠加光束拓扑荷数的正负以及数值而呈一定规律性变化,即当叠加的两束光拓扑荷数为异号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数绝对值之和;当叠加的两束光拓扑荷数为同号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数之差的绝对值。通过此性质可以检验涡旋光束的拓扑荷数,为叠加涡旋光束在自由空间光复用通信系统的拓扑荷数检测提供了新的方法。

高原低涡研究的回顾与展望

分别从时空分布特征、结构特征、降水与其他天气系统的相互作用及发生、发展的物理机制方面,总结了高原低涡的研究进展,从而对高原低涡的形成原因、变化特征及其对中国的天气、气候的影响有了较系统的认识.在此基础上展望了未来高原低涡的重要研究方向和基本趋势.

射流对压气机叶栅分离流控制的数值研究

现代先进轴流压气机级负荷不断提高的发展趋势导致流动分离日益严重。借助数值模拟分别对非定常射流和定常射流进行了参数优化研究。结果表明:基于射流的主动流动控制能有效弱化或消除流动分离,不同射流方式存在不同的最优射流参数(射流方向、位置、速度和频率等),这就为利用射流控制轴流压气机分离流动的工程应用奠定了一定的理论基础。

低涡和副热带高压共同影响下的暴雨落区分析

应用常规观测资料和NCEP 1°×1°再分析资料,分析低涡和副热带高压共同影响下的暴雨过程,发现暴雨落区并不与低涡位置及路径一致,因而不能简单的按其位置和路径预报暴雨落区,应着眼于暴雨发生的物理机理,注意分析影响系统的空间结构、发展阶段和地面形势的演变特征。在有锋面系统影响时,初始对流往往由锋面触发,因此,暴雨的第一落区在锋面附近。冷锋触发的暖区暴雨随后出现,不需强的动力辐合条件,可能远离低涡中心,而是位于副热带高压边缘的高温湿舌内。另外,应密切关注周边初生的对流云团及其移人时造成的暴雨。

二维扩压叶栅非定常涡面分析

轴流压气机内流动是典型的非定常旋涡流动,而现有压气机分析设计体系在定常假设下以流场空间结构为对象.研究压气机内真实流动的途径之一是分析流场时空结构.把转/静叶片交错排列简化为单叶片排,再简化成2-D扩压叶栅.从叶栅非定常涡面的角度来描述非定常旋涡流场时空结构.作为举例,利用合成射流控制涡面演化,改善流场时空结构.此涡面简化模型可为进一步研究叶轮机叶排间干扰复杂流场的时空结构提供分析工具.

基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量研究

基于涡旋光与球面波的干涉原理,提出一种物体微位移的光学测量方法。改进马赫泽德干涉光路,其中一束光照射至空间光调制器产生涡旋光束作为参考光,另一束光经透镜变为球面波后照射至物体上,两束光干涉后干涉条纹呈螺旋状分布。当物体发生微小位移时两束光的光程差改变,螺旋干涉条纹发生旋转,通过干涉条纹的旋转角度可以确定物体的微位移量。经理论分析、仿真和实验证明:基于涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化能够实时监测物体位移量的变化,同时可以有效计算物体的微位移。实验中,测量物体的产生位移量为27 nm,通过涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化实际测得物体的位移为25.75 nm,误差为1.25 nm。

1980-2010年西北涡发生频数的时空分布特征

利用1980-2000年夏季(5-9月)的历史天气图、2001-2010年MICAPS资料,分析了西北涡和东移西北涡频数的时间变化及空间分布特征.结果表明,在1980-2010年,西北涡频数减少趋势明显,其季节变化以5月最多,6月次之,9月最少;东移西北涡频数也呈明显的减少趋势,季节变化特征与西北涡一致.西北涡与东移西北涡的日变化特征相反,西北涡08:00出现的频数低于20:00,东移西北涡的变化则相反.西北涡的空间分布以(37.5°N,95°E)为中心,频数高的西北涡主要出现在柴达木盆地东南区域,出现位置不集中;低频次西北涡主要出现在柴达木盆地西北区域,出现位置相对集中.