矢量光束和空间偏振转化器件的矩阵分析

琼斯矢量和琼斯矩阵是分析光束偏振态和光学元件时广泛使用的一种数学工具．本文将琼斯矢量和琼斯矩阵的矩阵元素从常量扩展为与方位角相关的变量,用以描述矢量光束和空间偏振转化器件．探讨了组合半波片和组合偏振片对基模高斯光束和螺旋光束的变换作用,提出了生成矢量光束的新方法和检测螺旋光束轨道角动量的新方法．     

厄米-高斯光束合成任意阶矢量光束

提出了用一组经过偏振态调制厄米-高斯光束合成任意阶矢量光束的新方法,这组光束的偏振态方向依次差π/2,合成的矢量光束的强度分布和拉盖尔-高斯光束相同.根据合成方法的数学模型进行了数值仿真,进一步证实了合成方案是正确的.这一方法提供了用相干合成方法生成高阶矢量光束的新途径.     

圆平顶高斯光束在单轴晶体中的传输特性

基于光束在各向异性单轴介质中的傍轴矢量传输理论,导出了圆平顶高斯光束在单轴各向异性晶体中的传输公式,并利用此解析式作数值计算和分析了圆平顶高斯光束在单轴晶体中的传输,研究了各向异性介质对x方向偏振的圆平顶高斯光束偏振特性的影响.研究表明,晶体的各向异性对光束的偏振和圆对称性有较大影响.     

非周期高透射亚波长会聚光栅的研究

亚波长光栅作为一种新颖的光学器件可以实现光束的偏转、功分、会聚、偏振分束等功能.针对空间光的耦合以及微型激光器输出光的束型需求,本文提出了一种具有透射光束会聚效果的一维亚波长光栅,通过对亚波长光栅的结构设计,控制亚波长光栅的波前相位使得亚波长光栅具有高的透射率,以实现透射光束的会聚效果.利用有限元分析法(FEM)对设计的一维非周期亚波长会聚光栅数值进行仿真,结果表明:仿真焦距在10μm处的光束会聚的透射光栅,仿真得到的实际焦距fx为7.715μm,透射率为81.8%.因此,利用有限元法设计的非周期光栅对发散光束具有优异的会聚效果,有望在光通信器件的集成以及空间光耦合领域得到重要应用.     

偏振光与偏振元件的琼斯矢量分析

研究了偏振光和偏振元件的琼斯矢量表示方法,以及琼斯矢量的应用,结果表明,琼斯矢量对偏振光偏振态的变化十分有效。     

部分相干圆偏振涡旋光束的深聚焦

基于德拜理论,研究部分相干圆偏振涡旋光束的深聚焦特性,比较左旋和右旋部分相干圆偏振涡旋光束的不同深聚焦特性,并给出相应的物理解释.分析入射光束相干性和聚焦透镜数值孔径大小对深聚焦特性的影响.研究表明,入射光束的相干度和聚焦透镜的数值孔径大小,都会影响深聚焦焦平面的光强和相干度.通过控制各相关参数的取值,可以在聚焦场中获...     

双λ/4波片复合的特性分析

为了得出双λ/4波片复合后的综合偏振特性,利用Stokes矢量和Muller矩阵从理论上分析了线偏振光通过双λ/4波片后出射光的偏振态.结果表明：调整第一只λ/4波片快轴与入射线偏振光光矢量的夹角以及两只λ/4波片快轴之夹角,可以获得不同的偏振态,即：出射光可为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光,且各夹角不同,出射光的态势及旋性就不同,调整其中某个角度,能够实现偏振光状态的转换.     

基于波片的邦加球上任意偏振态的转换方法

为了实现邦加球上任意偏振态之间的转换,在研究波片对偏振态影响规律的基础上,提出了一种基于波片的邦加球上任意偏振态的转换方法.通过琼斯矩阵理论研究得到了波片在邦加球上偏振态的转换规律,λ/2波片能实现邦加球同一纬度值不同半球任意两点对应偏振态的转换,从而实现邦加球上经度的调节;λ/4波片不仅能够实现邦加球上任意一点到赤道对应偏振态,还能实现赤道到0°经线上任意一点对应偏振态的转换,因而可实现纬度的调节.基于上述规律,提出了利用两个λ/2波片和两个λ/4波片实现邦加球上任意两点偏振态之间的转换方法,并给出了具体的转换思路,同时以邦加球上偏振态ζ_A(π/3,π/4)到ζ_E(π/3,π/4)的转换为例,仿真验证了这种方法的有效性.     

斯托克斯矢量和穆勒矩阵在偏振光中的应用研究

分析和探讨了矩阵光学中的斯托克斯(Stokes)矢量和穆勒(Mueller)矩阵,并与琼斯(Jones)矢量和琼斯矩阵作了对比探讨;计算得出了部份偏振光的斯托克斯矢量表示法和右旋与左旋圆偏振器的穆勒矩阵表示法.综合分析了几个实例,探讨了斯托克斯矢量和穆勒矩阵在自然光、部分偏振光和完全偏振光中的应用.探讨了Stokes矢量和Jones矢量的变换关系.     

基于嵌入式变换光学的光束偏折器

用嵌入式光学变换法设计了一种光束偏折器,可使光束的传播方向发生90°的偏转,当对介质中与TE波和TM波相关的光学参数分别设置时,这种器件可以实现偏振分离的功能,采用数值计算的方法对器件的光学特性进行了分析,计算结果表明这种器件的设计是可行的.     

径向偏振无衍射光束的产生及其传输特性研究

从理论和实验两方面对径向振无衍射束进行了研究.理论上数值模拟了径向振无衍射束传输特性.模拟结果表明,径向振无衍射光束既具有径向振特性又具有无衍射特性.实验上我们利用高斯束经过径向振转换器后由轴棱锥聚焦获了径向振无衍射束,并使其经过不同角度振后到同振方向上强分,实验结果与理论结果一致.这种既具有径向振特性又具有无衍射特性束具有阔应用前景.     

地板及金属板加载对轴向模螺旋天线辐射特性的影响

轴向模螺旋天线是一种常见的圆极化辐射的定向天线,其辐射方向主要是沿着螺旋线的轴线方向。通过改变天线地板的尺寸可以对天线的辐射方向进行调整,使之向地板一侧进行辐射,并能够获得较好的圆极化与定向辐射特性。通过轴向辐射方向的金属板加载,可以显著地提高天线的增益。以一个传统的轴向模螺旋天线为例,对上述两种控制天线辐射效果的方法进行了仿真与实验研究,结果表明减小地板直径可以使天线辐射向着地板方向,并且能够达到约10 d B的前后比;在天线轴向的加载地板可以使天线增益提高1 d B以上,并且对天线的阻抗带宽及圆极化特性等性能影响较小。上述方法的采用可以使得轴向模螺旋天线的应用更加广泛。     

大宽跨比T梁桥的改进空间梁格算法

由于目前“G-M法”（比拟正交异性板法）计算主梁内力较复杂繁琐，为了更快速精确的计算大宽跨比，多横隔梁以及主梁较为密集的T梁桥主梁内力效应，提出了基于受压翼板有效宽度的大宽跨比T梁桥改进空间梁格算法。该方法通过有限元软件建立空间梁格模型，基于T形梁受压翼板有效宽度原理，精确考虑横隔梁与主梁顶板协同受力完成荷载横向传递时的横桥向横隔梁翼板有效宽度，对梁格模型中的横隔梁进行横隔梁-桥面板的截面等效换算，保证沿桥横向翼板内的应力分布均匀，模拟实桥横向联系。分别采用“G-M法”和本文方法计算分析桥宽20 m、24 m，跨径20 m、28 m、35 m的4种算例的装配式简支T梁桥主梁跨中弯矩，对比分析发现：1）改进空间梁格法与比拟正交异性板法吻合较好，误差均在±5%左右，精度较高；2）改进空间梁格法相比“G-M法”无需复杂的插值和查表，只需要借助简单的有限元模型，能快速高效的对主梁结构内力进行计算，操作方便，效率高；3）改进空间梁格法对大宽跨比，多横隔梁以及主梁较为密集的T梁桥结构内力计算结果更可视化，更能精确直观的反应受力后的整体结构响应。     

自然弯扭梁动力分析的精细积分法

以空间曲梁理论为基础,对一般横截面形状自然弯扭梁的振动特性进行了研究,包括横向剪切变形、转动惯量以及和扭转有关的翘曲的影响.应用差分法对空间坐标进行离散,把控制方程化为关于时间的常微分方程组,通过求解得到该梁的固有频率.在分析简谐激励作用下结构的动力响应时,对精细时程积分法中的向量积分采用Newton-Cotes公式,避免了矩阵求逆的困难.两端固支曲梁的固有频率以及强迫振动时的位移时程曲线的计算结果表明,数值解和有限元结果非常接近;两端固支圆截面螺旋弹簧固有频率的计算结果同样表明,数值解和相关文献的结果吻合得很好.     

大气湍流对激光束传输特性的影响

激光束湍流大气传输的研究对遥感、跟踪和远距离光通信,以及高功率激光武器等应用都有十分重要的意义.大气湍流会改变光束的传输特性和降低光束质量.介绍了近年来国内外激光束湍流大气传输特性研究进展,主要包括大气湍流对不同类型激光束的光强分布、光束质量、光束扩展、方向性、光谱特性、偏振特性、相干特性和等效曲率半径影响的研究进展,并介绍了主要的解析研究方法,如Rytov相位结构函数二次近似、强起伏模型和积分变换的技巧等.研究表明:大气湍流对激光束传输特性的影响与激光束本身特性,如空间相干性、时间相干性、模式、光阑限制情况以及列阵光束的叠加方式等因素有关.另外,还提出了该领域值得进一步深入研究的一些问题.     

光在介质表面反射和折射时偏振态的研究

利用菲涅尔公式和偏振光的Jones矢量表示法，导出了光在介质表面反射和折射的Jones矩阵。并以线偏振光为例，研究了几种特殊情况下反射、折射光的偏振态．     

光阑对暗中空涡旋光束轨道角动量的影响

基于推广的复高斯函数展开法,分析了具有轨道角动量的拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束通过含光阑光学系统传输的解析公式,理论推导了空心LG光束在柱坐标系下光子轨道角动量密度函数及其态矢.对1阶LG涡旋光束通过光阑后的光场分布情况进行了数值分析,在两种典型含光阑系统物理模型下分析了遮拦比对不同波长LG光束传输特性的影响,研究了LG光束通过光学系统后的相位分布及轨道角动量密度变化.结果表明,光阑系统遮拦比对LG涡旋光束通过光阑后的传输特性的影响因光束波长不同而异,遮拦比对光束轨道角动量密度影响较大,对光束束径及光轨道角动量影响不明显.研究结果可为在空间光通信中利用涡旋光束光子轨道角动量编码信息提供理论依据.