部分相干修正贝塞尔-高斯光束通过光阑的传输

dations ◷ 2024-03-14 13:56:09
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标题:基于部分相干修正的贝塞尔-高斯光束通过光阑的传输特性研究

摘要:

贝塞尔-高斯(BG)光束是一种重要的光学场模式,在激光加工、光学通信和光学传感等领域具有广泛应用。然而,在实际应用中,BG光束往往会受到光学系统的影响,如光阑的限制。本文通过引入部分相干性修正,研究了BG光束通过光阑的传输过程。我们发现,部分相干性修正对BG光束的传输特性有着显著影响,可以改变其传输后的光场分布和相位结构,为进一步研究和应用BG光束提供了新的思路。

  1. 引言

贝塞尔-高斯(BG)光束是一种重要的非传统光束,在光学领域有着广泛的应用。它具有沿轴方向具有环形结构的高斯光束和横向具有贝塞尔函数结构的特点,既具有高度聚焦的特性,又具有无穷远处为平面波的特性,因此在激光加工、超分辨显微镜、光学传感等领域有着重要的应用价值。然而,在实际应用中,由于光束的传输会受到各种因素的影响,如光学系统的非理想性和光场的部分相干性等,因此需要对BG光束的传输进行深入研究。

  1. BG光束的传输方程

BG光束在自由传输过程中可以由波动方程描述,其传输方程可以写为:

U(r,z)=A0q(z)exp(r2w(z)2)×exp(i(kz+kr22R(z)η(z)))U(r,z) = frac{A_0}{q(z)}expleft(-frac{r^2}{w(z)^2}right) times expleft(i(kz+frac{kr^2}{2R(z)}-eta(z))right)

其中,U(r,z)U(r,z)是BG光束在传输过程中的复振幅,rr是横向径向距离,zz是光束传输方向,A0A_0是振幅因子,q(z)q(z)是复束腰参数,w(z)w(z)是光束半径,R(z)R(z)是曲率半径,kk是波数,η(z)eta(z)是Gouy相位。然而,在实际应用中,光场往往具有一定的部分相干性,因此需要对传输方程进行修正。

  1. 部分相干修正

考虑到BG光束的部分相干性,可以将其传输方程修正为:

U(r,z)=A0q(z)exp(r2w(z)2)×exp(i(kz+kr22R(z)η(z)))×M(r,z)U(r,z) = frac{A_0}{q(z)}expleft(-frac{r^2}{w(z)^2}right) times expleft(i(kz+frac{kr^2}{2R(z)}-eta(z))right) times M(r,z)

其中,M(r,z)M(r,z)是部分相干性修正因子,可以表示为:

M(r,z)=exp(r2wc2(z))M(r,z) = expleft(-frac{r^2}{w_c^2(z)}right)

其中,wc(z)w_c(z)是光束的部分相干半径。部分相干性修正因子可以描述BG光束在传输过程中由于部分相干性的影响而发生的衍射效应。

  1. 数值模拟与结果分析

我们对部分相干修正的BG光束传输进行了数值模拟,并与理想情况下的传输进行了比较。结果显示,部分相干性修正对BG光束的传输过程有着显著影响,导致传输后的光场分布和相位结构发生变化。特别是在光阑尺寸接近或小于光束直径时,部分相干性修正效应更加显著,可以导致传输后的光束出现明显的畸变和损耗。

  1. 结论与展望

本文研究了部分相干修正的BG光束通过光阑的传输过程。我们发现,部分相干性修正对BG光束的传输特性有着显著影响,可以改变其传输后的光场分布和相位结构。这为进一步研究和应用BG光束提供了新的思路。未来的工作可以进一步探索部分相干性修正在其他光束模式和光学系统中的应用,并进一步优化部分相干性修正方法,提高其传输效率和稳定性。

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