Author Affiliations
Abstract
1 School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
2 Key Laboratory of High Power Laser and Physics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
3 National Laboratory on High Power Laser and Physics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
4 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
The self-focusing phenomenon of partially coherent beams (PCBs) was simulated using the complex screen method combined with the split-step Fourier method to solve the nonlinear Schrödinger equation. Considering the propagation of Gaussian Schell-model beams in a nonlinear medium as an example, the suppression effects of intensity, propagation distance, and spatial coherence on small-scale self-focusing were demonstrated. Simulations of overall and small-scale self-focusing using this method were compared with the existing literature to demonstrate the validity of the method. This method can numerically analyze the degree of self-focusing in PCBs and advance the study of their nonlinearity.
partially coherent beams self-focusing nonlinearity complex screen method Gaussian Schell-model Chinese Optics Letters
2023, 21(7): 071901
季华实验室光电科学与技术研究部，广东 佛山 528200
衍射光学元件（DOE）对入射光束的波长、束宽、光束质量等参数都有很高的要求，其中光束质量的影响无法直接通过相干光场的衍射积分得出。本文利用高斯谢尔模型（GSM）光束分析了光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响。采用对称迭代傅里叶变换算法设计了输出平顶光斑的DOE。用模式分解的方法研究了不同光束质量的光束经该DOE后的输出光斑，发现光束质量因子增加会使输出光斑平顶区尺寸减小，导致DOE失效。从交叉谱密度出发，表明DOE的输出光斑是相干部分和非相干部分的卷积，其中非相干部分是导致输出光斑劣化的原因。给出了平顶衍射光学元件适用的最大M2因子与输入和输出光束尺寸之间的关系。给出了一种GSM光束整形DOE的设计方法，该方法有助于在低光束质量激光器中实现DOE的应用。
衍射与光栅 衍射光学元件 光束质量 高斯谢尔模型 模式分解 光学学报
2023, 43(14): 1405001
安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241001
为探究聚焦扭曲厄米-高斯-谢尔模光束对瑞利粒子的捕获特性, 基于广义惠更斯-菲涅耳原理和瑞利散射理论, 推导了扭曲厄米-高斯-谢尔模光束经过聚焦透镜后光强和辐射力的解析表达式, 并数值模拟分析了扭曲厄米-高斯-谢尔模光束对瑞利粒子的辐射力随光束阶数、扭曲因子等光束参数和透镜焦距的变化规律。结果表明, 扭曲厄米-高斯-谢尔模光束的光场分布在传输过程中逐渐分裂并绕着传输轴旋转; 梯度力和捕获稳定范围随着光束阶数和扭曲因子增大而增大; 通过选择合适的光束参数和透镜焦距, 可以实现对不同折射率的两种瑞利粒子的稳定捕获。研究结果对扭曲厄米-高斯-谢尔模光束在光镊技术中的应用具有一定的参考价值。
激光技术 扭曲厄米-高斯-谢尔模光束 惠更斯-菲涅尔原理 辐射力 laser technology twisted Hermite-Gaussian-Schell model beam Huygens-Fresnel principle radiation force
漳州职业技术学院 电子工程学院, 漳州 363000
为了研究高斯-谢尔模型(GSM)脉冲在单模光纤中的传输特性, 采用相干函数传播分析法推导出GSM脉冲经单模光纤传输后输出脉冲的时间相干函数解析表达式, 在此基础上分析脉冲宽度、相干时间和功率谱等特征量的变化, 并推导出在远端条件下单模光纤的时域广义范西特-泽尼克定理。结果表明, GSM脉冲在单模光纤中的传输存在功率谱和全局相干度两个守恒量, 且二者是一致的。该研究结果对激光传输领域具有一定的理论和现实意义。
激光物理 单模光纤 高斯-谢尔模型脉冲 时间相干函数 功率谱 laser physics single-mode fiber Gaussian-Schell model pulses temporal coherence function power spectrum
1 中北大学理学院, 山西 太原 030051
2 吕梁学院物理系, 山西 吕梁 033001
以广义惠更斯-菲涅耳原理为基础,推导高斯谢尔模型光束在生物组织中的光谱解析表达式,并利用归一化光谱和相对光谱移动,研究高斯谢尔模型光束在生物组织中传输时的光谱变化。结果表明:高斯谢尔模型光束在生物组织中传输时会出现光谱蓝移、红移及跃变,且与离轴距离、传输距离、生物组织类型(不同的折射率结构常数)及空间相关长度有关;随着传输距离增大,折射率结构常数增大,即生物组织湍流越强,空间相关长度越大,光谱跃变位置越远,跃变量越小,即光谱跃变现象越弱,光谱红移转变为蓝移的传输位置越远;折射率结构常数和空间相关长度越大,光谱跃变对应的离轴距离越大,即跃变的观察点到传输轴的距离越大。
光谱学 光谱变化 高斯谢尔模型光束 生物组织 交叉谱密度函数 中国激光
2019, 46(12): 1207001
华侨大学 信息科学与工程学院 福建省光传输与变换重点实验室, 福建 厦门 361021
理论上利用高斯谢尔模型和交叉谱密度的传播公式得到部分相干Bessel光束经过环形孔径的光强表达式.通过Mathcad软件数值模拟光强表达式, 得到在不同传播距离的截面光斑图, 结果表明部分相干Bessel光束在经过环形孔径后会产生空心光束.实验中以绿光LED为光源, 经轴棱锥聚焦得到部分相干Bessel光束, 在其无衍射距离内放置环形孔径.使用体视显微镜照相系统拍摄部分相干Bessel光束经过环形孔径的衍射光斑图, 得到的结果与模拟结果吻合.
物理光学 空心光束 交叉谱密度 Bessel光束 高斯-谢尔模型 部分相干光 Physical optics Hollow beam Cross spectral density Bessel beam Gaussian-Schell model Partially coherent light
西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
脉冲展宽问题对无线光通信系统的码间串扰影响很大。根据广义惠更斯-菲涅耳原理和修正冯·卡门谱模型，对部分相干高斯-谢尔模型脉冲(GSMP)光束在大气湍流中水平传输时的脉冲展宽问题进行了详细的数值分析。推导出了部分相干GSMP光束在大气湍流中频域和时域的平均光强表达式及脉冲展宽表达式。结果表明：部分相干GSMP光束的扩展受湍流的影响比完全相干GSMP光束受到的影响要小，束腰半径越小的光束受到湍流的影响越大。在频域中，相同的传输条件下，湍流越强且外尺度越大，GSMP光束的展宽效应越明显；在时域中，随着初始脉宽的增加，接收端的相对脉宽迅速减小，在40 fs之内，相对脉宽很明显，大于40 fs时，接收端的脉冲宽度与初始脉宽无明显差别。
光通信 大气湍流 高斯-谢尔模型脉冲光束 脉冲展宽 水平传输 激光与光电子学进展
2016, 53(8): 080603
西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西 西安 710071
基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov相位结构函数二次近似的方法，推导出了径向分布高斯-谢尔模(GSM)阵列光束在湍流大气中传输时的交叉谱密度函数解析表达式，并利用表征光束相干性的空间复相干度系数，详细分析了GSM阵列光束在大气湍流中传输时的空间相干性变化规律。研究结果表明：径向分布GSM阵列光束的空间相干性由子光束空间相干长度、传输距离、大气折射率结构常数及相对径向填充因子等因素共同确定；径向分布GSM阵列光束通过湍流大气时，其空间相干度在传输过程中会出现多峰值现象，但是随着传输距离增大，多峰值现象逐渐消失并趋向于高斯分布，并且随着距离增大空间相干度宽度逐渐减小，光束空间相干性变差。
空间相干度 高斯-谢尔模型 阵列光束 大气湍流 交叉谱密度函数 degree of spatial coherence Gaussian Schell-model array beams atmospheric turbulence cross-spectral density function
中国海洋大学 信息科学与工程学院 物理系, 山东 青岛 266100
基于广义惠更斯-菲涅耳衍射原理和光束的偏振相干统一理论, 研究了高斯-谢尔模型光束在Kolmogorov海洋湍流中传输时偏振特性的变化规律, 得出了保持偏振特性不变时的条件.在此基础上, 研究了完全偏振线偏振光与圆偏振光在海洋湍流中的偏振传输特性, 结果表明: 在Kolmogorov海洋湍流下, 完全偏振的高斯-谢尔模型光束的偏振特性不受海洋湍流影响.
海洋光学 海洋湍流 高斯-谢尔模型光束 偏振相干统一理论 偏振度 椭圆方向角 椭偏率 完全偏振光 Oceanic optics Ocean turbulence Gaussian Schell-Model beams Unified theory of coherence and polarization Degree of polarization Orientation angle Degree of ellipticity Completely polarized light 光子学报
2015, 44(12): 1201002
基于最近发展的描述海洋湍流的空间功率谱函数和线性介质中广义惠更斯-菲涅耳积分公式，推导了多高斯-谢尔模型光束的光强、相干度及光束质量分子M2的解析表达式，研究了海洋湍流对多高斯-谢尔模型光束传输特性的影响。数值计算结果表明，海洋湍流对多高斯-谢尔模型光束传输特性有着重要影响。适当地选择光束参数，在远场光强不仅可以形成平顶分布，而且这种平顶分布在湍流中能够保持相当长的距离，并且多高斯-谢尔模型光束的级次N越大，湍流诱导的光束扩展越小。
海洋光学 多高斯-谢尔模型光束 相干度 M2传播因子 海洋湍流 中国激光
2015, 42(s1): s113002
