logo资料库

二维艾里光束的自愈特性.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：7.08M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共6页
第2页 / 共6页
第3页 / 共6页
第4页 / 共6页
第5页 / 共6页
第6页 / 共6页
资料共6页，全文预览结束
    ５３,０７０５０１(２０１６) 激光与光电子学进展 Laser&OptoelectronicsProgress ○C２０１６«中国激光»杂志社 二维艾里光束的自愈特性 杨　斌　覃亚丽　刘　鲜　任宏亮　薛林林 浙江工业大学信息工程学院光纤通信与信息工程研究所,浙江 杭州３１００２３ 摘要　通过数值仿真研究了不同区域被阻挡时无衍射二维艾里光束的自愈特 性.仿 真 结 果 表 明,部 分 区 域 被 阻 挡 时,光束在传输一定距离后能进行自我重构.同时研究了高斯噪声环境下无衍 射 二 维 艾 里 光 束 的 自 愈 特 性.结 果 显示,在一定的信噪比下艾里光束经过一定距离的传输后也能够自愈.这种自 愈 具 有 一 定 的 稳 健 性.艾 里 光 束 的 自愈特性能够应用于光镊系统、微粒自陷和操控、光无线通信等众多领域. 关键词　衍射;艾里光束;自愈特性;数值仿真 中图分类号　O４３６　　　文献标识码　A doi:１０．３７８８/LOP５３．０７０５０１ SelfＧHealingPropertyofTwoＧDimensionalAiryBeams InstituteofFiberOpticCommunicationandInformationEngineering CollegeofInformationEngineering YangBin　QinYali　LiuXian　RenHongliang　XueLinlin ZhejiangUniversityofTechnology Hangzhou Zhejiang３１００２３ China Abstract　TheselfＧhealingpropertyofnonＧdiffractingtwoＧdimensionalAirybeamswithdifferentpartsblockedis investigatedvianumericalsimulation敭ThesimulationshowsthattheAirybeamsthatarepartiallyblockedcanbe selfＧreconstructedafterpropagatingforacertaindistance敭TheselfＧhealingpropertyundertheGaussiannoise perturbationisalsoinvestigated敭TheresultshowsthatselfＧhealingoftheAirybeamscanberealizedafterthebeam propagatesforacertaindistancewhenthesignalＧtoＧnoiseratioisappropriate敭TheselfＧhealingpropertyofAiry beamsisrobust andthepropertycanbeappliedinmanyfieldssuchasopticaltweezersystem atomtrappingand manipulating andwirelessopticalcommunications敭 Keywords　diffraction Airybeams selfＧhealingproperty numericalsimulation OCIScodes　０５０敭１９４０ ０８０敭１５１０ １６０敭４７６０ １４０敭３４６０ １　引　　言 无衍射光束是一种能够在传输过程中保持不变的局域光波包,其中众所周知的贝塞尔光束已经从理论 和实验角度得到了验证.在量子物理领域,Berry等[１]首先从理论 上 推 导 出 薛 定 谔 方 程 具 有 无 衍 射 的 艾 里 波包解,由于艾里光束具有无限能量,因此不能进行实际验证 和 应 用.２００７ 年,Siviloglou等[２]首 次 推 导 出 能量指数截断的艾里光束同样是薛定谔方程的解,并且通过实验验证了艾里光束的无衍射特性[３],为研究艾 里光束提供了可能. 艾里光束具有三大特性,即无衍射特性、自加速特性和自愈特性.无衍射特性表现为光束在自由空间传 输过程中,光束的形状保持不变;自加速特性是其特有的,在传输过程中艾里光束会有横向自加速现象[４];自 愈特性则表现为在传输过程中遇到障碍物阻挡时,光束通过障碍后仍能重构并进行传输.艾里光束的特性 在近年来被广泛研究,并应用于微粒子操纵[５]、等离子体通道的产生[６]、真空电子束加速[７]、艾里激光器[８]等 　　收稿日期:２０１６Ｇ０１Ｇ１８;收到修改稿日期:２０１６Ｇ０３Ｇ０１;网络出版日期:２０１６Ｇ０６Ｇ２４ 基金项目:国家自然科学基金(６１２７５１２４,６１４０５１７８,６１２０５１２１) 作者简介:杨　斌(１９９１—),男,硕士研究生,主要从事光孤子及非线性光学方面的研究.EＧmail:８２６８８２５８０＠qq．com 导师简介:覃亚丽(１９６３—),女,博士,教授,主要从事光孤子及非线性光学、微波 通 信 及 电 磁 计 算、信 号 处 理 等 方 面 的 研究.EＧmail:ylqin＠zjut．edu．cn(通信联系人) ０７０５０１Ｇ１
    激光与光电子学进展 www．opticsjournal．net ５３,０７０５０１(２０１６) 众多研究领域. 本文主要通过交替隐式差分算法数值仿真研究了二维艾里光束的特性.在自由空间中传输时,有限能 量的艾里光束在传输方向上保持形状不变,具 有 很 好 的 无 衍 射 特 性,此 外,在 横 轴 方 向,由 于 存 在 横 向 自 加 速,光束会沿着xＧy平面内特定的角度进行自加速.主要研究了二维艾里光束的自愈特性.通过改变阻挡 物位置阻挡光束的不同区域,传输一定距离后,艾里光束能够自行恢复并沿着原传输方向传输.只有主瓣的 情况下主瓣会展宽,没有发生自愈.引入高斯噪声后,二维艾里光束仍能实现自愈,说明艾里光束的自愈具 有一定的稳健性. ２　二维艾里光束的动态特性 为了分析二维艾里光束的传输动态特性,可用归一化衍射旁轴方程描述为[９] i∂U ∂z＋ １ Ux,y( ２k∂２U ∂x２ ＋ １ ２k∂２U ∂y２ ＝０, ) , )fAiy( ) ＝fAix( ) 、fAiy( 式中U 为电场包络,k＝２πn/λ０ 为光的波数,通过求解(１)式可得二维艾里光束的波包解为 (２) ) 为艾里函数.(２)式得到的是无限能量的艾里光束波包的表达式,该表达式无法在实 式中fAix( 际应用中得到.通过引入孔径截断函数,可以得到有限能量的二维艾里光束解,并且满足(１)式.因此可得 (３) 式中a为截断参数(０≤a≤１),当a≪１时,(３)式可用(２)式表示.将(３)式作为输入光束进行数值分析, (４) 求解方程可得传输过程中的电场包络为 Ux,y,z＝０ )expax( )expay( ) ＝fAix( )fAiy( ) , ( (１) Usm,ξm ( U(x,y,z)＝ ∏m＝x,y ) ＝fAism －(ξm/２)２ ＋iaξm expi － ξ３m/１２ [ { ) ( U(sm,ξm), ( ] ×expasm －aξ２m/２ ) × ] [ [ ( } , )ξm/２ ] ＋ a２ ＋sm (５) 式中sx＝x/x０ 和sy＝y/y０ 分别表示无量纲的横坐标,x０ 和y０ 为任意横向尺度;对传输距离也进行归一 化,ξx＝z/kx２０,ξy＝z/ky２０. 取 艾 里 光 束 的 波 长 为０．５μm,x０＝y０＝５０μm 时,ξ＝１ 对 应 传 输 距 离 为 ３１．４mm.当a＝０时即可得到无限能量二维艾里光束的动态传输特性. 图１(a)、(b)分别为无限能量和有限能量二维艾里光束在入射时(z＝０)的能量分布情况.可以看出,光 束的绝大部分能量集中于主瓣区域.图１(b)中a＝０．１,与无限能量的情况相比,有限能量艾里光束的旁瓣 衰减得更快,下文中光束均为有限能量的二维艾里光束.图１(c)、(d)分别为光束对应的３D 图,可以看出当 x０ 和y０ 相同时,光束分布关于xＧy平面的４５°对角线对称.对有限能量艾里光束进行傅里叶变换求出傅里 叶频谱,发现其波包功率谱是具有立方相位因子的高斯分布,这一结果表明对高斯光束进行立方相位调制、 再进行傅里叶变换即可得到艾里光束.因此在实际应用中可通过空间光调制器将立方相位调制在高斯光束 上,透过傅里叶透镜后,调制后的光束进行傅里叶变换,在透镜的焦平面处可得到有限能量的艾里光束[１０]. 此外,Ellenbogen等[１１]发现了基于二次非线性光子晶体产生艾里光束的方法,Ren等[１２]用聚合物和液晶得 图１ (a)无限能量二维艾里光束能量分布;(b)有限能量二维艾里光束能量分布; (c)图１(a)对应的３D 图;(d)图１(b)对应的３D 图 Fig敭１ a Energydistributionof２DAirybeamwithinfiniteenergy b energydistributionof２DAirybeamwith finiteenergy c ３DpatterncorrespondingtoFig敭１ a d ３DpatterncorrespondingtoFig敭１ b ０７０５０１Ｇ２
    ５３,０７０５０１(２０１６) 到了基于二进制相位图的高分子分散液晶产生艾里光束的方法,这为研究艾里光束提供了便利. 时,二维艾里光束在自由空间传输的动态特性如图２所示. 二维艾里光束在传输时,(５)式中 (ξm/２)２ 描述了其横平面上的自加速轨迹.传输距离ξ＝０,１．４,２．８ www．opticsjournal．net 激光与光电子学进展 图２ 二维艾里光束在自由空间传输的动态特性.(a)ξ＝０;(b)ξ＝１．２;(c)ξ＝２．４; (d)(e)(f)分别对应图２(a)、(b)、(c)的３D 图 Fig敭２ Dynamicalpropertiesof２DAirybeaminfreespace敭 a ξ＝０ b ξ＝１敭２ c ξ＝２敭４ d e f ３DpatternscorrespondingtoFigs敭２ a ２ b and２ c respectively 令x０＝y０＝５０μm,在横向平面上光束沿着xＧy平面对角线方向传输.可以看出,随着光束沿z轴方向进 行传输,其在横平面上也发生偏移,这就是自加速特性.此外,在传输过程中艾里光束的形状基本保持不变. ３　二维艾里光束的自愈特性 无 衍 射 艾 里 光 束 的 自 愈 特 性 可 由 Babinet准 则 解 释[１３]. 本 文 通 过 部 分 阻 挡 艾 里 光 束 研 究 其 自 愈 特 性[１４].由图１(a)可知,二维艾里光束的大部分能量集中于主瓣区域,因此首先研究主瓣被遮挡时二维艾里 光束的自愈情况. 如图３所示,二维艾里光束的主瓣区域被阻挡,通过交替隐式差分算法对光束的传输进行数值仿真,图 ３(a)为入射光束主瓣被完全遮挡.图３(b)~(f)分 别 表 示 传 输 距 离 间 隔０．４ 时 艾 里 光 束 的 能 量 分 布 情 况. 图３ 主瓣被遮挡时二维艾里光束的自愈动态特性.(a)ξ＝０;(b)ξ＝０．４;(c)ξ＝０．８;(d)ξ＝１．２;(e)ξ＝１．６;(f)ξ＝２．０ Fig敭３ SelfＧhealingdynamicsof２DAirybeamwiththemainlobeblocked敭 a ξ＝０ b ξ＝０敭４ c ξ＝０敭８ d ξ＝１敭２ e ξ＝１敭６ f ξ＝２敭０ ０７０５０１Ｇ３
    激光与光电子学进展 ５３,０７０５０１(２０１６) www．opticsjournal．net 可以看到随着传输距离ξ的增加,被遮挡的主瓣区域正在进行自我重构.旁瓣的能量从周围区域向主瓣阻 挡区域流动,当ξ＝１．２时,主瓣已恢复[图３(d)],其强度分布几乎与未遮挡时一致.光束继续传输时,可以 看到光束沿４５°对角线有横向自加速. 主瓣集中了光束的大部分能量,被遮挡后自愈效果明显,阻挡艾里光束的内部区域,入射光束如图４(a) 所示.图４(b)~(h)分别表示传输距离间隔０．４ 时艾里光束的能量分布情况,图４(i)为未遮挡时的初始光 束,可以看到经过一定距离的传输后,被阻挡区域得到恢复,证明光束的内部区域同样具有自愈能力. 图４ 艾里光束内部区域被遮挡时二维艾里光束的自愈动态特性.(a)ξ＝０;(b)ξ＝０．４;(c)ξ＝０．８;(d)ξ＝１．２; (e)ξ＝１．６;(f)ξ＝２．０;(g)ξ＝２．４;(h)ξ＝２．８;(i)未遮挡时的初始光束 Fig敭４ SelfＧhealingdynamicsof２DAirybeamwithtwoarbitrarypartsblocked敭 a ξ＝０ b ξ＝０敭４ c ξ＝０敭８ d ξ＝１敭２ e ξ＝１敭６ f ξ＝２敭０ g ξ＝２敭４ h ξ＝２敭８ i initialbeamnotblocked 上述两种情况均为二维艾里光束在自由空间中的传输,艾里光束的自愈能力很强,从能量分布上来看光 束实现自愈,但光束能量有所减小.考察存在环境噪声干扰时艾里光束的自愈能力.引入高斯噪声,设定其 信噪比为２０dB.图５所示为噪声环境 下 主 瓣 被 阻 挡 时 二 维 艾 里 光 束 的 自 愈 特 性.图５(a)为 初 始 入 射 光 束,图５(b)~(f)分别对应传输距离间隔０．４时的强度分布,可以看出在噪声环境下主瓣被遮挡的艾里光束 仍能自愈,说明艾里光束的自愈具有一定的稳健性.与自由空间中传输的情况相比,噪声的引入使得艾里光 束的自愈能力下降.在无序混浊介质和湍流介质等极端环境中,艾里光束的自愈特性将在通信领域具有巨 大的潜能,国内学者已通过理论和实验验证了携带图像信号的艾里光束在主瓣被遮挡时,经过传输后仍能从 自愈后的艾里光束中得到轮廓清晰的图像信号[１５Ｇ１７]. 对不同噪声水平下艾 里 光 束 的 自 愈 效 果 进 行 仿 真,结 果 如 图６ 所 示,图６(a)~(c)分 别 为 信 噪 比 为 ３０dB、２０dB、１０dB,传输距离ξ＝２．０时艾里光束的自愈情况.不难发现,随着噪声强度增强,自愈效果减 弱.当信噪比为０dB 时,艾里光束很难完成自愈. 最后,将二维艾里光束的其余部分全部遮挡,只剩下能量最高的主瓣,可以发现随着传输距离的增加,主 瓣不断展开,能量不断减小,并沿着对角线方向横向自加速,没有发生自愈,如图７所示.艾里光束的大部分 能量都集中在主瓣区域,旁瓣和中间区域的能量较小,通过仿真结果可以看出,当艾里光束的大部分能量被 遮挡时,其自愈效果更好,该现象符合Babinet准则. ０７０５０１Ｇ４
    ５３,０７０５０１(２０１６) 激光与光电子学进展 www．opticsjournal．net 图５ 在高斯噪声环境中主瓣被遮挡时二维艾里光束的自愈动态特性.(a)ξ＝０;(b)ξ＝０．４;(c)ξ＝０．８;(d)ξ＝１．２; (e)ξ＝１．６;(f)ξ＝２．０ Fig敭５ SelfＧhealingdynamicsof２DAirybeamwiththemainlobeblockedunderGaussiannoiseperturbation敭 a ξ＝０ b ξ＝０敭４ c ξ＝０敭８ d ξ＝１敭２ e ξ＝１敭６ f ξ＝２敭０ 图６ ξ＝２．０时不同信噪比条件下艾里光束的自愈效果.(a)３０dB;(b)２０dB;(c)１０dB Fig敭６ SelfＧhealingresultsatdifferentsignaltonoiseratioswhileξ＝２敭０敭 a ３０dB b ２０dB c １０dB 图７ 其余部分被阻挡时主瓣的传输图样.(a)ξ＝０;(b)ξ＝１．２;(c)ξ＝２．４ Fig敭７ Propagationpatternsofthemainlobewhileotherpartsareblocked敭 a ξ＝０ b ξ＝１敭２ c ξ＝２敭４ ４　结　　论 通过数值仿真研究了二维艾里光束的传输特性,主要研究了艾里光束被障碍物阻挡情况下的自愈特性. 二维艾里光束的大部分能量主要集中在主瓣区域,首先将主瓣遮挡,经过一段距离传输后,光束进行了自我 重构,其强度分布和无遮挡时一致,在横向平面上,由于存在 横 向 自 加 速,光 束 沿 着xＧy平 面 的 对 角 线 方 向 移动.光束内部区域被遮挡时,经过传输后仍能自愈,自愈速率比主瓣被遮挡时慢.最后引入高斯噪声,在 噪声环境下,信噪比为２０dB 的二维艾里光束在主瓣被遮挡时也能自愈.今后的工作将研究艾里光束被遮 挡时能量、信噪比与自愈距离的关系.艾里光束的自愈特性具有潜在的应用价值,可应用于光无线通信、生 物工程等领域. ０７０５０１Ｇ５
    ５３,０７０５０１(２０１６) 激光与光电子学进展 参 考 文 献 www．opticsjournal．net ９９ ２１ ２１３９０１敭 J 敭Laser& OptoelectronicsProgress ２０１５ ５２ ６ ０６０００２敭 ０６０００２敭 ２００８ ２ １１ ６７５Ｇ６７８敭 Science ２００９ ３２４ ５９２４ ２２９Ｇ２３２敭 ７３０６敭 Harbin HarbinInstituteofTechnology ２０１３敭 １　BerryM V BalazsNL敭Nonspreadingwavepackets J 敭AmericanJournalofPhysics １９７９ ４７ ３ ２６４Ｇ２６７敭 ２　SiviloglouGA ChristodulidesDN敭AcceleratingfiniteenergyAirybeams J 敭OpticsLetters ２００７ ３２ ８ ９７９Ｇ９８１敭 ３　SiviloglouGA BrokyJ DogariuA etal敭敭ObservationofacceleratingAirybeams J 敭PhysicalReviewLetters ２００７ ４　ChengZhen ChuXingchun ZhaoShanghong etal敭敭ResearchprogressofAirybeam′spropagationtrajectorycontrol 　　程　振 楚兴春 赵尚 弘 等敭艾 里 光 束 传 输 轨 迹 控 制 方 法 的 研 究 进 展 J 敭激 光 与 光 电 子 学 进 展 ２０１５ ５２ ６ ５　BaumgartlJ MaziluM DholakiaK敭OpticallymediatedparticleclearingusingAirywavepackets J 敭NaturePhotonics ６　PolynkinP Kolesik M MoloneyJV etal敭敭CurvedplasmachannelgenerationusingultraintenseAirybeams J 敭 ７　LiJX ZangWP TianJG敭VacuumlaserＧdrivenaccelerationbyAirybeams J 敭OpticsExpress ２０１０ １８ ７ ７３００Ｇ ８　LonghiS敭Airybeamsfromamicrochiplaser J 敭OpticsLetters ２０１１ ３６ ５ ７１６Ｇ７１８敭 ９　SiviloglouGV BrokyJ DogariuA etal敭敭BallisticdynamicsofAirybeams J 敭OpticsLetters ２００８ ３３ ３ ２０７Ｇ２０９敭 １０　WangXiaozhang敭ResearchongenerationofAirybeamsandpropagationcontrolledbyusingspatiallightmodulator D 敭 　　王晓章敭基于相位空间光调制器的艾里光束产生和传输控制研究 D 敭哈尔滨 哈尔滨工业大学 ２０１３敭 １１　EllenbogenT VolochN GananyＧPadowiczA etal敭敭NonlineargenerationandmanipulationofAirybeams J 敭Nature １２　RenH W LinYH FanYH etal敭敭PolarizationＧindependentphasemodulationusingpolymerＧdispersedliquidcrystals １３　BouchalZ WagnerJ Chlup M敭SelfＧreconstructionofadistortednondiffractingbeam J 敭OpticsCommunications １４　BrokyJ SiviloglouGA DogariuA etal敭敭SelfＧhealingpropertiesofopticalAirybeams J 敭OpticsExpress ２００８ １６ １５　WangXiaozhang LiQi ZhongWen etal敭敭DriftbehaviorofAirybeamsinturbulencesimulatedbyusingaliquidcrystal 　　王晓章 李　琦 钟　 文 等敭液 晶 空 间 光 调 制 器 模 拟 艾 里 光 束 在 湍 流 中 的 漂 移 J 敭中 国 激 光 ２０１３ ４０ １２ １６　LiangYi敭NonlinearpropagationsofweakＧlightandtheirapplications D 敭Tianjin NankaiUniversity ２０１４敭 　　梁　毅敭弱光非线性传播及应用 D 敭天津 南开大学 ２０１４敭 １７　WangXiaozhang TangFeng YuanMengjie etal敭敭ExperimentalsimulationofcircularＧAirybeamdriftinatmospheric 　　王晓章 唐　峰 原勐捷 等敭实验模拟环形艾里光束在大气扰动中的光束漂移 J 敭中国激光 ２０１５ ４２ ８ ０８１３００１敭 Photonics ２００９ ３ ７ ３９５Ｇ３９８敭 J 敭AppliedPhysicalLetters ２００５ ８６ １４ １４１１１０敭 １９９８ １５１ ４Ｇ６ ２０７Ｇ２１１敭 １７ １２８８０Ｇ１２８９１敭 spatiallightmodulator J 敭ChineseJLasers ２０１３ ４０ １２ １２１３００１敭 １２１３００１敭 turbulence J 敭ChineseJLasers ２０１５ ４２ ８ ０８１３００１敭 ０７０５０１Ｇ６
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料