非稳腔主动式直接获取纳秒近似无衍射贝塞尔绿光

通过对基于轴棱锥的贝塞尔谐振腔和贝塞尔-高斯谐振腔的研究,设计了一台腔内倍频Nd:YAG纳秒近似无衍射贝塞尔绿光激光器. 非稳激光器谐振腔由轴棱锥和凸面镜组成. 实验采用单灯脉冲抽运激光增益介质Nd:YAG晶体,倍频晶体选用KTP. 当抽运电压为350 V时,由主动式直接产生纳秒近似零阶贝塞尔绿光,其脉冲宽度为55.1 ns,波长为532 nm,线宽为0.8 nm,近似无衍射零阶贝塞尔绿光的中心光斑直径为192 μm. 利用Fresnel-Kirchhoff 衍射积分和Fox-Li迭代法,通过数值计算得出 关键词： 主动式 纳秒贝塞尔光束 腔内倍频 轴棱锥     

轴棱锥对无衍射光束的线聚焦特性

基于汉克尔波理论和衍射积分理论详细分析了轴棱锥对无衍射光束的线聚焦特性, 提出了一种产生周期性局域空心光束的新方法, 即无衍射贝塞尔光束经过轴棱锥聚焦后产生具有塔尔博特效应的局域空心光束. 数值模拟了无衍射贝塞尔光束照射轴棱锥后, 沿传输距离变化的光强分布及一个周期内光强的演变和局域空心光束的形成过程. 设计实验系统, 由He-Ne激光经过一套光学系统后透过轴棱锥, 产生近似无衍射贝塞尔光束, 再由第二个轴棱锥对产生的无衍射贝塞尔光束进行线聚焦, 在第二个轴棱锥后面由显微镜观测到周期性局域空心光束, 并用CCD照相机拍摄了两个周期内的光斑图, 实验结果和理论分析相符合. 研究结果可用于多层面微粒的操控, 对周期性局域空心光束在光学微操控领域的应用具有重要的指导意义. 关键词： 贝塞尔光束 轴棱锥 线聚焦 局域空心光束     

热光源产生贝塞尔光束的理论与实验

利用热光源获得了近似贝塞尔光束。对多波长光波同时入射轴棱锥的情形进行分析和数值模拟,结果显示轴棱锥后会形成近似贝塞尔光束,但受光场非相干叠加的影响截面光强对比度降低。实验采用卤素灯杯作为产生贝塞尔光束的热光源,针对热光源相干性差的特点设计出一套光学系统,提高光波的空间相干性,再使光波平行透过轴棱锥得到了近似贝塞尔光束。将实验结果与数值计算对比,发现实验所得贝塞尔光束的特性与理论基本吻合,但最大无衍射距离较理论计算所得的短,并对此进行了分析。     

轴棱锥——透镜系统的光束传输与变换

对平面波经过轴棱锥--透镜系统的整个演绎过程进行详细的理论分析,数值模拟和实验验证.平面波经过轴棱锥产生横向光场不变的近似无衍射光,在最大无衍射距离内加入合适透镜将产生局域空心光束(Bottlebeam),而空心光束的尺寸可通过改变透镜焦距进行控制.当光束继续传播,贝塞尔(Bessel)光发生自重建(Self-reconstruction),但重建的Bessel光将会发散,光强随着传播距离增大而迅速下降,且中心亮斑尺寸也迅速增大.通过引入另一聚焦透镜对光束进行修正,恢复了Bessel光束的无衍射的特性.利用显微镜-CCD光束分析系统获得不同传播距离的截面光强分布,实验结果和理论分析及数值模拟相吻合.     

体视显微镜与CCD成像系统在高阶贝塞尔光束光斑测量中的应用

主要对光学测量仪器体视显微镜与CCD成像系统在高阶贝塞尔光束光斑测量中的应用进行分析,通过以非相干LED绿光经过螺旋相位板和轴棱锥产生的高阶贝塞尔(Bessel)光束为例,模拟出沿轴向不同距离处的截面光强分布图,并与相应的实验参数(如:最大无衍射距离、中心暗斑直径等)进行比较。实验结果表明,体视显微镜与CCD成像系统的测量结果相吻合,但是体视显微镜测量误差较大会影响测量结果的准确度。     

周期局域空心光束自重建的理论模拟与实验

利用衍射积分理论和干涉理论分析了轴棱锥对无衍射贝塞尔(Bessel)光束进行线聚焦产生局域空心光束遇障碍发生自重建的全过程。数值模拟了周期局域空心光束的传输情况及轴上放入圆形障碍物后不同位置的截面光强分布图,并计算了障碍物后最小自重建距离。研究结果表明周期局域空心光束遇到障碍物后,会绕过障碍物继续向前传输,并且传输一段距离后恢复原来的周期局域空心光束的特性。设计实验光路图对理论模拟进行了验证,通过显微镜和照相机系统拍摄得到轴上圆形障碍物和方形障碍物前后光束的截面光强分布图,实验与理论模拟相吻合。研究结果使得周期局域空心光束的应用得到了扩展。     

椭圆高斯光束产生近似无衍射Bessel-Gauss光

研究了轴棱锥聚焦像散椭圆高斯光束的光场分布特性,根据菲涅耳衍射积分理论导出了椭圆高斯光束经轴棱锥衍射后的光场分布,通过数值积分给出椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的近轴光场强度分布情况,将其与圆高斯光束产生的近似Bessel-Gauss场进行比较,发现椭圆高斯光束经轴棱锥聚焦后的光束在一定的传播距离内也具有无衍射特性,且轴上光强分布与圆高斯光束产生的Bessel-Gauss光束的轴上光强分布具有相似的形式,而这种无衍射光场的强度在垂直于光轴的平面上不再是柱对称分布。根据近轴球面波产生近似Bessel光束的最大无衍射距离公式计算了椭圆Bessel-Gauss光束在子午面和弧矢面上的最大无衍射距离,整个光束的无衍射距离由入射到轴棱锥上的椭圆光斑短轴方向的尺寸决定。     

环形障碍物-轴棱锥产生局域空心光束

提出一种产生局域空心光束(bottle beam)的新方法,它是在传统的轴棱锥底面上放置一个环形障碍物.平面波入射到带有环形障碍物的轴棱锥底面时,将在轴棱锥产生的最大无衍射距离内形成bottle beam,而在bottle beam的前后仍然保持无衍射贝塞尔光.通过变化障碍物大小及轴棱锥底角实现bottle beam尺寸的控制.利用衍射理论描述了平面波经带有环形障碍物的轴棱锥产生bottle beam的原理,分析和模拟了传输过程中不同位置的截面光强分布及整个过程的三维光强分布,并给出相关的实验结果.研究结果对bottlebeam的实际应用具有积极的意义.     

相干贝塞尔光产生具有塔尔博特效应的局域空心光束

提出一种由轴棱锥产生的贝塞尔光干涉整形得到具有自成像塔尔博特效应的近似无衍射局域空心光束的新方法。详细分析了两束相干同频率贝塞尔光的相互作用原理及其如何控制局域空心光束的空间尺寸。数值模拟了干涉叠加后光场沿传输距离变化的光强分布及一个完整周期内光强的演变和局域空心光束的形成过程,给出了相干贝塞尔光产生局域空心光束的个数及局域空心光束最大无衍射距离的表达式。     

像散对轴棱锥衍射特性的影响与修正

光束斜入射到轴棱锥上引起的像散将导致其衍射光场发生畸变,由衍射理论出发推导了受像散影响的轴棱锥衍射光场表达式. 通过模拟不同像散的衍射光斑图和同一像散影响下随轴向距离变化的光强分布图,分析了轴外像散对轴棱锥衍射特性的影响. 提出修正像散的方法并通过实验验证利用可调精密旋转轴棱锥修正轴外像散导致的光束畸变,理论分析和实验结果相符合,研究结果使轴棱锥的应用更加广泛. 关键词： 像散 贝塞尔光 轴棱锥 光束畸变     

像散Bessel光束自重建特性的理论和实验研究

基于菲涅耳衍射积分理论和巴比涅原理,推导出像散Bessel光束经圆形障碍物后的光强分布一般表达式.数值模拟了像散Bessel光束经圆形障碍物遮挡后光场的自重建过程,并设计相关实验进行验证,实验结果与理论模拟基本符合.结果表明：零阶像散Bessel光束经过轴上和离轴障碍物后均会发生光束重建现象.随着传输距离的增加,像散Bessel光束的外轮廓尺寸变大、中心光点阵列数增多,逐渐重建出不同于障碍物前的完整光束.并且观察到光束在重建过程中横向和纵向的重建速度并不一致,存在一定的速度差.利用螺旋相位板产生高阶像散Bessel光束,验证了高阶像散Bessel光束经障碍物遮挡后同样具有自重建特性.研究结果对像散Bessel光束在多层面粒子操纵方面的应用具有参考价值.     

参数可控长距无衍射光束的生成方法研究

为了消除光学器件几何参数对无衍射光束传播特性调整的限制,实现长距空间中无衍射光束传播时特性参数的可控性,首先,通过研究axicon折射阴影区的电场分布特征,发现axicon无衍射区外过临界面后的近轴区域虽处于几何折射阴影近轴区域内,但仍存在光强服从第一类零阶贝赛尔函数分布的球面波;以此为基础,提出了一种不受传播空间距离限制的无衍射光束的生成方式;最后,在近12 m的尺度范围内进行无衍射光传播特性参数测试,发现其实验参数与理论计算值的差值不超过0.1μm。该无衍射光通过对第一类零阶贝塞尔函数分布的球面衍射光斑准直生成,本质上区别于传统的干涉无衍射光束生成方式,易于生成大尺度空间无衍射光束。该无衍射光生成方式适合用于非能量使用情况下大尺度空间的直线基准、光束空间通讯等领域,具有较大的价值与意义。     

衍射和干涉理论对Bessel光传输的描述

 采用衍射积分理论和干涉理论分别对轴棱锥产生的Bessel光的传输特性进行描述，并讨论了其适用条件和优缺点。数值模拟了光传输的3维强度分布，同时进行相关参数的实验测定。数值模拟和实验结果表明：在最大无衍射距离内，衍射理论能很好地描述Bessel光的轴上光强分布，当接近或超出最大无衍射距离时，干涉理论也能较好地描述Bessel 光的强度分布，实验结果和理论分析基本吻合。     

Conversion of high-order Laguerre-Gaussian beams into Bessel beams of increased, reduced or zeroth order by use of a helical axicon

We propose a new method for transformation of a Laguerre-Gaussian beam of azimuthal index l and radial index n = 0 (LG_l,0) into a vortex, diverging or nondiverging Bessel beam, which can have increased or decreased phase singularity order, or into a zeroth order Bessel beam, by means of a helical axicon. The Bessel beam divergence or nondivergence depends upon the waist position of the input Laguerre-Gaussian beam, regarding the plane where the helical axicon is situated.The expressions for the amplitude and the intensity distribution of the diffracted wave field, in the process of Fresnel diffraction, are deduced using the stationary phase method. The theoretical analysis for the vortex radius and the maximum propagation distance of the Bessel beams obtained is presented.     

基于轴棱锥产生近似无衍射Mathieu光束的新方法

提出了一种基于轴棱锥产生零阶近似无衍射Mathieu光束的新方法,利用轴棱锥聚焦具有椭圆高斯振幅调制的平面波,得到近似零阶无衍射Mathieu光束.根据椭圆高斯平面波经轴棱锥衍射的衍射积分公式,对光强分布进行了数值模拟,依据几何光学模型计算了近似无衍射Mathieu光束的最大无衍射距离,并设计了实验对理论模拟的结果进行了验证.实验采用柱透镜和准直扩束系统变换圆高斯光束产生具有椭圆高斯振幅调制的平面波,用轴棱锥聚焦该平面波后得到近似无衍射Mathieu光束,实验结果与理论模拟和计算相符.     

柱透镜聚焦高阶Bessel光束产生焦散光束

研究了高阶Bessel光束经过柱透镜后的光场分布特性.在广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论基础上,推导出高阶Bessel光束透过柱透镜后的衍射光场分布表达式;并利用MATLAB和MATHCAD模拟了不同传播距离处的光强分布.实验上,利用轴棱锥和螺旋相位板产生不同阶数的高阶Bessel光束,并使产生的高阶Bessel光束经过柱透镜,最后用CCD记录下不同距离处的衍射光场.研究结果表明,高阶Bessel光束经过柱透镜形成唇状的焦散光束.     

轴锥镜光强分布的角谱衍射数值分析法

针对理论上推导轴锥镜的衍射光场分布解析式较为困难,且用菲涅耳衍射理论分析时存在近轴近似及不能适用于近场衍射光场分析的问题,采用了严格遵从标量衍射亥姆霍兹方程的角谱衍射波前重建方法,对轴锥镜在单色和准单色高斯光波照射下的横向和轴向衍射光强分布特性,以及在单色均匀平面光波照射下的轴向衍射光强分布进行了数值计算和分析。结果表明,轴锥镜后单色光衍射光强分布在几何光束重叠的菱形区域内为近似无衍射贝塞尔光强分布,轴上光强沿光轴方向呈振荡变化,轴上光强分布规律与入射光波的垂轴横向光强分布有关;入射光的准单色性使得贝塞尔衍射条纹对比度略下降、轴上光强沿光轴方向振荡程度减小,但分布规律与单色光一致。     

Bessel光束经椭圆环形孔径后的衍射光场

基于菲涅耳衍射积分理论及硬边孔径的复高斯函数展开法导出了Bessel光束经椭圆环形孔径后的光场表达式, 数值模拟了其光场的强度分布. 研究了Bessel光束经椭圆环形孔径后的光场变化及其传播过程; 在实验上利用轴棱锥输出的近似无衍射Bessel光, 通过椭圆环形孔径, 使用电荷耦合器件拍摄得到不同传播距离处的光强分布. 理论结果和实验结果均表明无衍射光束经椭圆环形孔径后会产生空心光束.