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     

基于圆锥透镜生成双级无衍射光束的理论分析

为进一步完善多级无衍射光束的传输与转换理论,基于轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析,采用数值模拟软件对双级无衍射光束的空间光强分布与轴上光强分布进行仿真;基于锥镜加工工艺对锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布进行研究,分析了双级无衍射光场的场强大小和影响光场振荡周期的因素。结果表明:理想双级轴棱锥透镜生成的无衍射光场由4个区域组成,在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥衍射场的耦合叠加,其余区域仍保持单级无衍射光场分布特性;锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布受双曲线特征参数影响较大。其特殊的光场分布为多级无衍射光束拓展至大尺寸空间测量以及粒子微操作等提供了新的可能。     

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。     

基于零级贝塞尔光束干涉产生的局域空心光束

通过对由两个零级贝塞尔光束相干叠加形成的三维衍射光场的理论分析和计算机模拟,发现当双零级贝塞尔光束的有关参量满足一定条件时,会在光轴上形成一系列高质量的局域空心光束。在此基础上,进一步分析了这种阵列局域空心光束的大小、阵列周期及局域空心光束的质量与双零级贝塞尔光束和光路参量的定量关系。推导出双零级贝塞尔光束叠加时在中心暗斑位置达到完全干涉相消的条件是通过两个环缝的能量要相同,以及产生最佳局域空心光束的内外环缝光源半径的比值为0.465。该研究为进一步设计制备基于双零级贝塞尔光束干涉实现阵列局域空心光束的新型衍射光学元件提供了理论依据和设计参量。     

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。     

产生多个高光强梯度局域空心光束的理论与实验

在实验中用贝塞尔光束与球面波叠加得到多个具有高强度梯度的局域空心光束(BB)。用衍射理论分析了贝塞尔光束与球面波叠加的光场,借助软件对两光场相干叠加的光强分布进行了模拟,结果表明在球面波的焦点附近能够形成多个高强度梯度的BB。实验中贝塞尔光束和球面波分别用轴棱锥和透镜对平行光聚焦获得,使两光场在同一传播轴上相干叠加,在球面波焦点附近观察到多个BB。通过对比可知,贝塞尔光束与球面波叠加所得BB比用两束贝塞尔光束干涉产生的BB在暗域处具有更大的光强梯度,更有利于稳定的粒子囚禁。     

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     

衍射理论对局域空心光束及无衍射光束重建的描述

利用衍射理论导出了局域空心光束的传输表达式及光强分布,给出了局域空心光束的精细结构,详细分析了其演变过程。讨论了聚焦透镜的焦距f对径向暗域最大尺寸及轴上暗域长度的影响。结果表明,径向暗域最大尺寸及轴上暗域长度都随着f的增大而增大。通过轴棱锥-透镜系统获得局域空心光束,用体视显微镜和CCD照相机组成的系统拍摄光束强度分布。结果表明应用衍射理论可以较精确地描述局域空心光束的演变过程。找出了其应用中的不利因素,更清晰地展现无衍射光束的重建现象。这种描述方法弥补了几何理论和干涉理论的不足。     

部分相干光对周期性局域空心光束的影响

用旋转毛玻璃和光阑把激光变成部分相干光, 再经过双轴棱锥系统把一束平行光变成两束同频率但不同径向波矢分量的无衍射贝塞尔光, 相干叠加产生了部分相干的周期性局域空心光束. 通过干涉理论与实验结果相互佐证, 得出局域空心光束的周期为2.5 mm. 进一步探究入射光场相干度对产生局域空心光束的影响, 发现随着相干度的降低局域空心光束中心暗斑与周围光强的衬比度会降低, 但不影响局域空心光束的周期以及中心暗斑尺寸.     

双锥面轴棱锥产生长无衍射距离的太赫兹贝塞尔光束

为了克服传统轴棱锥产生太赫兹贝塞尔光束无衍射距离短的局限,设计了一种双锥面轴棱锥结构。基于几何光学理论对双锥面轴棱锥产生太赫兹贝塞尔光束的原理进行了分析,并对太赫兹贝塞尔光束的无衍射特性和双锥面轴棱锥顶点对齐误差对无衍射特性的影响进行了理论和仿真计算分析。同时,采用透射式太赫兹时域光谱系统对双锥面轴棱锥的功能进行了实验验证。仿真和实验结果表明：太赫兹波经过锥面底角为γ₂=20°、γ₁=15°的双锥面轴棱锥后能够产生110 mm无衍射距离的太赫兹贝塞尔光束,相较于传统轴棱锥,无衍射距离增加了82.63 mm;无衍射距离随着锥形底面角度的增加而增大。     

非相干光源无衍射光的自重建

基于Hankel 波理论分析了非相干光源产生Bessel光束的自重建特性, 利用光学设计软件ZEMAX模拟了Bessel光束经过轴上圆形障碍物后的截面光强分布. 由于发光二级管(LED) 具有一定的频谱宽度且不像激光具有很高的相干度, 因此我们采用一定频宽范围的连续谱来描述. 从模拟结果可以直观地看出Bessel光束被轴上圆形障碍物遮挡后逐步完成自重建, 说明用LED非相干光作为光源具有自重建特性.实验上采用LED和轴棱锥元件产生Bessel光束, 然后通过轴上圆形障碍物、轴上方形障碍物, 并拍摄了不同位置处的截面光强分布图, 证实了非相干光源产生Bessel光束的自重建特性.实验结果和模拟结果相符合. 关键词： 无衍射光束 LED光源 轴棱锥 自重建     

相关参数对长距离近似无衍射光束质量的影响

利用光线追迹法分析了会聚透镜焦距及会聚透镜与轴棱锥的距离等相关参数对双轴棱锥产生的长距离近似无衍射光束传播距离的影响,运用Mathcad对其进行了数值模拟。结果显示:在其他条件不变的情况下,近似无衍射光束的传播距离随会聚透镜焦距的增大而减小,随会聚透镜与轴棱锥之间距离的增大而增大。通过实验对理论进行了验证,所得结果与理论分析相吻合。     

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.     

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。     

圆顶轴棱锥产生多个局域空心光束

首次提出圆顶轴棱锥这一新型光学元件.由衍射理论分析了平面波通过圆顶轴棱锥后的光场强度分布,用软件对光强分布进行仿真.结果表明,平行光通过圆顶轴棱锥后可以形成多个局域空心光束(bottle beam),由于球面波能量在焦点附近高度集中,所得的bottle beam在焦点附近强度极大.通过仿真对比得知用圆顶轴棱锥产生的bottlebeam的暗域周围光强远大于用两束Bessel光束干涉所得,大幅度提高了bottle beam囚禁粒子的效率.通过比较这两种方法产生的bottle beam对粒子囚禁的散射力,证实了圆顶轴棱锥产生bottle beam在粒子囚禁方面更具优势.     

瑞利粒子在贝塞尔光束中的横向受力

为寻找捕获瑞利粒子的最佳光场,利用电磁模型推导了贝塞尔光束捕获粒子的最小半径的表达式,并数值计算了瑞利粒子在贝塞尔光束和高斯光束中所受的横向力和势阱的深度。结果表明:当激光功率为4 W时,贝塞尔光束仅能在光轴处稳定地捕获瑞利粒子;当激光功率达到6 W时,贝塞尔光束能够在光轴和次极大位置捕获瑞利粒子。在相同的激光参数条件下,高斯光束无法克服布朗运动的影响稳定地捕获瑞利粒子,贝塞尔光束更有利于捕获瑞利粒子。     

阶变折射率轴棱锥产生局域空心光束

提出利用折射率成阶跃性变化的轴棱锥产生局域空心光束(bottlebeam).讨论了折射率沿径向成阶跃式减小或增加两种模型,从几何光学角度分析了它们产生bottle beam的原理,利用衍射积分理论数值模拟两种轴棱锥光传输的光场分布和不同距离处的二维光斑图,研究结果表明折射率沿径向阶跃减小的轴棱锥产生单个bottle beam,而折射率沿径向阶跃增加的轴棱锥产生具有周期再现的bottle beams.bottle beam在原子引导和囚禁、光学俘获及光镊等方面有广泛的应用,因此本文的研究对bottlebeam的产生和实际应用具有指导意义.