非傍轴标量衍射理论的比较研究

当光束束腰(或衍射孔孔径)可与波长相比拟或光束具有较大的发散角时,傍轴近似不再成立。以高斯光束的微小圆孔衍射为例,在非傍轴条件下,对衍射场的级数解、非傍轴近似解以及精确解进行了详细的数值计算和比较研究。结果表明,高斯光束经圆孔衍射的级数解、非傍轴近似解的有效性与高斯光束的束腰半径、衍射孔孔径和传播距离有关,并具有一定的互补性。     

另类非傍轴TM高斯光束的传输解

当激光束的横向光斑尺寸是波长量级甚至是亚波长量级时,傍轴近似失效,必须采用非傍轴描述.高斯光束作为球面激光腔的横基模,迄今为止已提出很多方法来描述非傍轴条件下的高斯光束.赫兹矢量呈高斯分布的另类非傍轴TM高斯光束,是麦克斯韦方程组的高斯波解,是共焦腔和半共焦腔的本征值.为了进一步分析其传输特性和指导应用,在近场将另类非傍轴TM高斯光束的积分解表示成f的幂级数形式的级数解,并退化到傍轴条件给出了傍轴解.所给出的级数传输解对传输距离和初始高斯半宽度有一定的适用范围.在远场利用静止位相法给出了解析的光场,同时对另类非傍轴TM高斯光束的源分布和传输强度分布作了计算和分析,显示了其与一般非傍轴高斯光束的差异.     

构建一个矢量场高斯光束的尝试

文章提出一个横向激化的矢量场的高斯光束,它在一一条件下,满足时谐电磁波传输的Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程,它严格满足片面是场量的无源场条件;它的模｜Ｅ｜,而不是它的任意直角分量Ｅｉ,有高斯光束标量场解的完全相同数学形式,模也是归一化的,从而具有高斯光束标量场解的特征;这样一个民标量场解一样,都是Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程的近似解。与标量场比较,它含有激化形式的信息,在必须涉及激化的研究或应用领域,有一定意义     

二维矩形阵列非傍轴离轴高斯光束的合成研究

基于瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出非傍轴离轴高斯光束相干合成和非相干合成光束在自由空间中传输的解析公式.用所得结果对非傍轴高斯光束相干合成和非相干合成进行了研究,得到了非傍轴公式在傍轴条件下,能回归到傍轴理论所得结果.远场近似、傍轴离轴高斯光束的相干合成与非相干合成光束传输公式可作为特例给出.数值计算表明,合成光束的光强分布与合成方式(相干合成和非相干合成)、光束束宽w0(或等效于f参数)、光束束数M(N)、离轴参数a(b)以及传输距离z有关.在远场,对于相干合成,M×N束非傍轴高斯光束的合成光束的轴上光强是单束非傍轴高斯光束的轴上光强的M2N2倍;对于非相干合成,M×N束非傍轴高斯光束的合成光束的轴上光强是单束非傍轴高斯光束的轴上光强的MN倍.     

标量高斯光束的能量传输

应用标量光场的能流密度矢量 J的定义 ,计算了高斯光束在自由空间传播时 ,其光束传输轴横截面上的光强、光斑区域的能流及总能量 ,并与传统光强定义的相关结果进行了比较。计算结果表明 ,对基模高斯光束 ,仅当 kω0 1(ω0 λ)时 ,传统光强的定义才近似成立 ,否则必须采用光强的精确定义。进一步指出了高斯光束作为波动方程傍轴近似解的条件。     

高斯光束质量因子的研究

应用标量光场横截面上光强的精确定义,计算了基模高斯光束的光强二阶矩及光束质量因子,结果表明,当基模高斯光束的束腰半径ω0 λ时,光束质量因子M2非常接近于1,当光束束腰半径较小时,计算的光束质量因子存在较大误差。文章进一步用严格的光场角谱表示法计算了非傍轴标量高斯光束的质量因子,并对一些相关问题进行了讨论。     

光束质量因子的研究

应用标量光场的角谱表示,推导了具有轴对称性的傍轴、非傍轴标量光束的光强二阶矩的传输规律。在此基础上,给出了光束的束腰半径、远场发散角及光束质量因子M2。对傍轴标量光束,证明了光束质量因子M2≥1;对非傍轴标量光束,指出当光束束腰半径很小时,其光束质量因子M2可以小于1,并随光束的束腰半径Wmin趋于零而趋向于零。     

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.     

椭圆矢量高斯光束多孔衍射的光强分布

目的：分析奇异光束多孔衍射的精细结构。方法基于矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,研究矢量椭圆高斯光束三孔衍射的光强分布。主要讨论在轴上、离轴和不同横截面处,精确光强表达式波印廷矢量〈S z 〉的变化规律。结果分析表明：在共轴情况下,参数 f 对〈S z〉的影响起重要作用,Δ和Λ也能影响光强的演变。而对于离轴情况,在其横截面上,等光强线先是椭圆,在 z／λ＝2．4591时,变为圆形,而后又变成椭圆,但其长、短轴方向交换了位置,通过横向光强等高线,可以更清楚地看出光波的这种演化规律。结论可以通过合理选择光学参数,控制多孔衍射对光束传输质量的影响。     

离轴径向偏振高斯光束的非傍轴传输特性

基于矢量瑞利-索末菲衍射积分,研究了离轴径向偏振高斯光束的非傍轴传输特性,推导了离轴径向偏振高斯光束在自由空间中非傍轴传输的解析表达式,并与傍轴的情况进行了对比.研究表明：f参数、离轴系数和传输距离对径向偏振高斯光束的非傍轴传输特性有着重要的影响,而且,传输距离较远,离轴径向偏振光束的光斑向光轴靠拢,表现出较强的离轴修复能力.这些结论在多束离轴激光束进行光束合成和光束整形的研究中具有重要意义.     

基于波束级数展开的粒子椭圆高斯波束散射特性

基于矢量波函数之间的正交性等,得出了任意电磁波束的零阶场和x,y,z一阶场等粒子散射场的表达式,给出了各阶入射场展开系数与散射场展开系数的通用关系,以椭圆高斯波束为例,研究了椭圆高斯波束中粒子的散射特性,通过仿真分析了波束腰宽、照射距离等对散射特性的影响,验证了本文算法的有效性;研究表明:波束腰宽可以改善粒子的识别性能,波束中的粒子具有较强的前向后向散射特性.方法简单,为研究电磁波束的粒子散射特性探索了新的途径.     

矢量运算向标量运算转变及其在物理计算中的应用

总结物理矢量几何运算转变为标量解析运算的方法,给出其在物理矢量运算中的一些应用,指出学生可能出现的错误,分析学生出错的原因.通过该文帮助学生对矢量运算形成一个完整和清晰的认识,增强物理矢量运算的能力.     

向量拟变分不等式与标量广义拟变分不等式之间的关系

建立了向量拟变分不等式与标量广义拟变分不等式之间的等价性,证明了向量拟变分不等式的Levtin-Polyak适定性与标量广义拟变分不等式的Levtin-Polyak适定性之间的等价关系.     

高斯光束的光场分析

应用非涅耳衍射原理 ,推导出了高斯光束通过透镜后在光轴上的光场分布 ,并分析了几种特殊情况 .     

一种改进的高斯波束解

得出了高斯波束场的改进型表达式及其平面波谱展开,发现波束的等效传播常数ke不等于波动方程中的传播常数k,但随着传播距离的增加,等效传播常数迅速地接近于k,从工程应用的角度给出了等效传播常数的取值范围,表明文献结果是本文结果的一个特例 仿真发现高斯波束在近区传播时,其强度剧烈地随空间变化,传播波数对能量有显著的影响.