1 合肥工业大学物理系, 合肥 230009
2 中国科学院等离子体物理研究所, 合肥 230031
基于精确光强定义下非傍轴标量光束的二阶矩理论，计算了不同束腰及光阑孔径条件下截断非傍轴标量高斯光束的束腰半径、远场发散角以及质量因子等光束传输特性，并将截断非傍轴标量高斯光束与自由高斯光束和平面波圆孔衍射光束进行了比较.数值计算表明截断参量的不同对截断高斯光束的传输特性影响很大.当R>2ω0时，截断高斯光束与高斯光束在自由空间传输特性趋于一致，因此在精确光强定义下，对于非傍轴标量光束来说，当光阑孔径大于2倍束腰时，可以不考虑光阑对高斯光束的衍射作用.当R<0.3ω0时，截断高斯光束传输特性趋于平面波通过圆孔的衍射曲线.因此，在这种情况下，可以将高斯光束作为平面波处理.只有当光阑孔径介于0.3倍束腰和2倍束腰之间时，需要同时考虑光阑孔径和高斯束腰对衍射的影响.
物理光学 传输特性 光强二阶矩 截断高斯光束 精确光强 衍射 光束质量 Physical optics Propagation characteristics Second-order moment of light intensity Truncated Gaussian beams Accurate light intensity Diffraction Beam quality
1 合肥工业大学电子科学与应用物理学院， 安徽 合肥 230009
2 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室， 安徽 合肥 230027
基于T矩阵法，取入射激光的波长分别为300、633、800 nm，对正庚烷火烟颗粒群分形结构的多分散模型、单分散模型以及等体积的球形模型的光散射Muller矩阵元素随散射角的分布特性进行了详细的比较分析。结果表明，当λ=300 nm时，散射光能很好地反映正庚烷火烟颗粒凝团的分形结构及凝团中基本颗粒的分布特性；当λ=633 nm时，正庚烷火烟颗粒群分形结构的多分散模型和单分散模型的光散射特性基本一致；当λ=800 nm时，正庚烷火烟颗粒群3种模型的光散射特性趋于一致。
散射 火灾烟颗粒 T矩阵 光散射模型
1 合肥工业大学电子科学与应用物理学院, 安徽 合肥 230009
2 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室, 安徽 合肥 230027
火灾烟颗粒粒径分布的反演是一个典型的病态问题，容易因为陷入局部最小值而丢失全局最优解。在详细分析了随机噪声对烟颗粒群光散射Mueller矩阵元随角度分布的影响之后，采用全局搜索能力很强的模拟退火算法，实现了对球形模型下单分散系和对数正态分布系的粒径反演，在有相对强度为信号最大值3%的随机噪声干扰下，反演结果的误差都小于0.3%。然后使用该反演程序对烟颗粒分形凝团的散射光数据进行反演，得出了不同分形维数的火灾烟颗粒分形凝团在球形模型下的光学等效半径，并且火灾烟颗粒分形凝团的回转半径与光学等效半径之间具有近似线性关系。
散射 粒径反演 模拟退火 火灾烟颗粒 Mueller矩阵
基于非傍轴标量光束横截面上光强的精确定义，对桶中功率和二阶矩定义的光束束宽、远场发散角和M2因子等进行了比较研究.以平面波的微小圆孔衍射光束为例，进行了详细的数值计算.结果表明，桶中功率定义的光束束宽、远场发散角和M2因子较二阶矩定义的小，两种定义的M2因子都随束腰趋于零而趋向于零，桶中功率定义的光束束宽的传播规律与双曲线存在一定偏差.
非傍轴标量光束 二阶矩 桶中功率 传输特性 Nonparaxial scalar beam Second-order moment Power in the bucket (PIB) Propagation characteristics
基于非傍轴标量光束横截面上光强的精确定义,对桶中功率(PIB)和二阶矩定义的非傍轴标量高斯光束的束宽、远场发散角和M2因子等进行了详细的数值计算,并与傍轴标量高斯光束的传输特性进行了比较。结果表明,桶中功率定义的远场发散角和M2因子较二阶矩定义的小,两种定义的M2因子都随束腰趋于零而趋向于零。束腰参量w0较小时三种定义的光束束宽、远场发散角和M2因子存在较大差别,随着w0的增大三种定义的光束参量趋于一致。指出了非傍轴标量高斯光束功率密度二阶矩及传统光强二阶矩理论的有效性与束腰参量w0的关系,这对非傍轴光束传输特性的研究具有参考价值。
物理光学 传输特性 二阶矩 桶中功率 非傍轴高斯光束 激光与光电子学进展
2010, 47(9): 092601
1 安徽建筑工业学院数理系, 安徽 合肥 230022
2 合肥工业大学物理系, 安徽 合肥 230009
在光束能量传输的分析中,对能量集中度的研究具有十分重要的意义, 能量集中度是评价光束质量的手段之一。采用光强的精确定义给出了经圆孔衍射的非傍轴标量光束能量集中度η 的精确积分表示。对平面波圆孔衍射的能量集中度η随着衍射孔径ρο 和传播距离Z的变化进行了详细的数值计算,结果表明, η随着Z的增加只是在特定条件下才单调减小, η随着ρο的增加不是单调变化, ρο 取某个特定的孔径值时η取得极大值。根据该结果给出了通过控制参数ρο和Z的取值获得光斑最大能量或最大能量集中度的方法。
物理光学 非傍轴光束 能量传输 圆孔衍射 能量集中度 physical optics nonparaxial beam energy transmission circle aperture diffraction energy concentration degree
为了研究平面波经微小孔衍射的能量集中度,运用严格的矢量衍射理论以及非傍轴光束横截面上光强的精确表示和功率密度表示,进行了详细的数值计算和比较研究。研究结果表明,衍射光束的能量集中度与传输距离、衍射孔径、光斑半径等参量有关,通过对光学系统参量的控制,可得到合适的能量集中度。这些结果对光纤探针能量传输特性的研究具有重要意义。
物理光学 矢量衍射理论 能量集中度 圆孔衍射 能量传输 physical optics vectorial diffraction theory energy focusability circular aperture diffraction energy transmission
光束束腰与波长相比拟时，标量近似已不再成立。以高斯光束的微小圆孔衍射为例，对矢量衍射场的级数解、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，对受硬边光阑限制的非傍轴光束，级数展开法适用于处理光束在近场区域的传播，而非傍轴近似解则适用于处理非近场区域光束的传播，具有一定的互补性。讨论了高斯光束圆孔衍射标量近似的有效性，当高斯光束的束腰半径、衍射孔孔径大于几个光波波长时，标量衍射理论是精确、有效的。
物理光学 矢量衍射理论 高斯光束 圆孔衍射 有效性 physical optics vectorial diffraction theory Gaussian beam circular aperture diffraction validity
当光束具有较大的发散角或光束束腰可与波长相比拟时，傍轴近似不再成立。用微扰级数法处理非傍轴光束的传播问题，数值计算发现，对受硬边光阑限制的光束，由于高频分量的贡献，当传输距离较大时，高阶级数解的修正效果不好，甚至失效，级数解的有效范围将受到很大限制。在标量衍射理论角谱表示的基础上，以平面波圆孔衍射为例，给出了衍射场的非傍轴修正解，得到的非傍轴修正解避免了级数解本身在数学上的发散性问题，并在一定条件下，可过渡到级数解，并且指出在近场或非傍轴区对傍轴解进行高阶修正的必要性和有效性。
物理光学 标量衍射理论 非傍轴修正 圆孔衍射 physical optics scalar diffraction theory non-paraxial corrections circular aperture diffraction
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．在标量瑞利－索末菲衍射积分的基础上，进一步研究了衍射场的非傍轴近似解，并详细分析了解的有效性．以平面波圆孔衍射为例，对衍射场的精确解、非傍轴近似解以及菲涅耳近似解进行了详细的数值计算和比较研究．结果表明，非傍轴近似对微小孔衍射非常精确、有效．
物理光学 标量衍射理论 非傍轴近似 圆孔衍射 有效性 Physical optics Scalar diffraction theory Non-paraxial approximation Circular aperture diffraction Validity
