部分相干光的傳輸特性和光譜變化研究.pdf

1、部分相干光的傳輸變換與聚焦特性和光譜特性是強(qiáng)激光的主要研究課題之一，對(duì)現(xiàn)代光學(xué)理論及現(xiàn)代激光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。本論文從部分相干光的傳輸理論出發(fā)，以模擬實(shí)際多模激光的典型部分相干光束：修正貝塞耳．高斯(MBG)光束和J<,0>-相關(guān)的謝爾模(JSM)光束為主要研究對(duì)象，對(duì)部分相干MBG光束的傳輸特性、通過(guò)球差透鏡的聚焦特性以及通過(guò)光闌透鏡系統(tǒng)后的光譜位移和光譜開關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)研究；深入分析研究了新型部分相干JSM光束通過(guò)近軸

2、ABCD光學(xué)系統(tǒng)的傳輸特性與焦移；分析討論了兩束離軸高斯光束干涉場(chǎng)中的波前結(jié)構(gòu)和橫向光渦漩現(xiàn)象。 介紹了二階相關(guān)理論中描述光場(chǎng)相干性質(zhì)的基本概念和基本理論，如空間-時(shí)間域中的互相關(guān)函數(shù)、復(fù)相干度，空間-頻率域中的交叉譜密度、譜相干度和交叉譜密度的傳輸方程與模式展開理論。歸納了與本論文相關(guān)的研究光束傳輸變換的基本方法，包括矩陣光學(xué)方法、衍射積分方法和光束質(zhì)量判據(jù)。闡述了描述部分相干光束的典型數(shù)學(xué)-物理模型：高斯-謝爾模光束、貝塞耳

3、-高斯光束、MBG光束和JSM光束。本論文進(jìn)行的主要工作為： 基于部分相干光的傳輸定律，首次研究了部分相干MBG光束通過(guò)近軸ABCD光學(xué)系統(tǒng)的傳輸特性，推導(dǎo)出了部分相干MBG光束傳輸方程的解析表達(dá)式并給出了典型應(yīng)用特例。利用強(qiáng)度矩概念和積分變換技巧簡(jiǎn)潔地導(dǎo)出了部分相干MBG光束的特征參數(shù)，包括束寬、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角、M<'2>因子和K(陡峭度)參數(shù)的解析表示。用解析和數(shù)值方法討論了MBG光束的基本性質(zhì)和特征參數(shù)與譜相干度及描述光束的函

4、數(shù)級(jí)次的關(guān)系。 自1986年，Wolf證明部分相干光源的光譜相干度在不滿足定標(biāo)定律時(shí)，從光源發(fā)出的光在傳輸過(guò)程中其光譜會(huì)發(fā)生改變以來(lái)，人們討論光譜變化的數(shù)學(xué)．物理模型都是高斯．謝爾模光束。本論文首次采用MBG光束模型，研究了部分相干MBG光束通過(guò)光闌透鏡系統(tǒng)后，軸上光譜位移及光譜開關(guān)現(xiàn)象。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，光譜開關(guān)主要與截?cái)鄥?shù)、光束菲涅耳數(shù)以及譜相干度有關(guān)。光譜開關(guān)的個(gè)數(shù)隨著光束菲涅耳數(shù)以及截?cái)鄥?shù)的增大而增多。當(dāng)截?cái)鄥?shù)增大

5、到一定值時(shí)，光譜開關(guān)將消失。例如，當(dāng)表征場(chǎng)的譜相干度參數(shù)ξ取0.5，截?cái)鄥?shù)大于2.2時(shí)，光譜開關(guān)將消失，光譜變化僅表現(xiàn)出藍(lán)移。當(dāng)譜相干度比較差(如ξ=0.8)時(shí)，最后兩個(gè)臨界值處光譜開關(guān)將消失。當(dāng)參數(shù)ξ變化時(shí)，光譜開關(guān)出現(xiàn)的位置將發(fā)生小的移動(dòng)。 本文首次從部分相干光的傳輸理論出發(fā)，對(duì)部分相干MBG光束通過(guò)球差透鏡后，聚焦光場(chǎng)軸上的光強(qiáng)分布進(jìn)行了研究。數(shù)值計(jì)算表明，當(dāng)光譜相干度較小時(shí)，正、負(fù)球差對(duì)應(yīng)的實(shí)際聚焦點(diǎn)位于無(wú)球差時(shí)對(duì)應(yīng)的

6、實(shí)際聚焦點(diǎn)的兩側(cè)；當(dāng)光譜相干度較大時(shí)，正、負(fù)球差對(duì)應(yīng)的實(shí)際聚焦點(diǎn)將位于無(wú)球差時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際聚焦點(diǎn)的左側(cè)．研究還表明，隨著透鏡菲涅耳數(shù)的增大，實(shí)際聚焦點(diǎn)向幾何焦點(diǎn)方向靠近，并趨于一個(gè)定值，當(dāng)光束菲涅耳數(shù)為1時(shí)，無(wú)球差時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際聚焦點(diǎn)逐漸趨于0.908，該值與譜相干度無(wú)關(guān)；而當(dāng)透鏡具有球差時(shí)，該值與譜相干度有關(guān)。部分相干JSM光束是最近才引起廣泛關(guān)注的新型光束。Palma等人分析了該光束在自由空間的傳輸變換特性，Borghi等人應(yīng)用模式展開

7、理論研究了該光束的產(chǎn)生與描述。本論文應(yīng)用部分相干光束的傳輸定律，從更一般的角度研究了部分相干JSM光束通過(guò)近軸ABCD光學(xué)系統(tǒng)的傳輸特性和聚焦特性，得到了部分相干JSM光束通過(guò)近軸ABCD光學(xué)系統(tǒng)傳輸?shù)慕馕霰磉_(dá)式，作為兩個(gè)特例討論了部分相干JSM光束在自由空間的傳輸和聚焦特性，用數(shù)值計(jì)算方法研究了JSM光束的焦移以及影響部分相干JSM光束聚焦特性的參數(shù)。 2001年，Ponomarcnko引入了一種可表示為完全相干的拉蓋爾一高斯

8、光束的非相干疊加、具有可分離相位的新一類部分相干光束。這類光束會(huì)產(chǎn)生相位奇點(diǎn)，奇點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)鞍點(diǎn)、波前位錯(cuò)和光學(xué)渦漩等奇異特性。由于這些特性在原子光學(xué)和生物光學(xué)中有潛在的應(yīng)用價(jià)值，所以得到了廣泛關(guān)注，并形成了現(xiàn)代光學(xué)前沿領(lǐng)域之——奇點(diǎn)光學(xué)。Wolf將奇點(diǎn)光學(xué)的研究對(duì)象從單色場(chǎng)擴(kuò)展至多色場(chǎng)，指出光譜開關(guān)是奇點(diǎn)光學(xué)的一類新效應(yīng)。本文在兩束離軸非等幅高斯光束的一般情況下研究了干涉場(chǎng)中的波前結(jié)構(gòu)以及橫向光渦漩。研究表明干涉場(chǎng)中的相位鞍點(diǎn)以及渦漩

9、點(diǎn)的位置與光束的離軸參數(shù)、束腰寬度、相位以及相對(duì)振幅有關(guān)。相位鞍點(diǎn)既可位于渦漩點(diǎn)的內(nèi)側(cè)，也可以位于渦漩點(diǎn)的外側(cè)，且控制參數(shù)取一定值時(shí)，相位鞍點(diǎn)將與渦漩點(diǎn)重合。對(duì)于離軸光束，XZ平面上Z軸兩側(cè)的相位鞍點(diǎn)與渦漩點(diǎn)相遇時(shí)所對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)并不相同，且XZ平面上相位鞍點(diǎn)相遇時(shí)所對(duì)應(yīng)x值，一般情況下與渦漩點(diǎn)相遇時(shí)所對(duì)應(yīng)的x值不相同．文獻(xiàn)[114]中研究的共軸高斯光束的問(wèn)題可作為本文的一個(gè)特例。首次提出了通過(guò)改變離軸參數(shù)和振幅來(lái)控制合成光束的光渦漩的