梯度轴棱锥产生单个Bottle beam

首次提出一种新的梯度轴棱锥模型,这种梯度轴棱锥在传统的轴棱锥基础上,将轴棱锥顶点的锥角设计成具有一定的梯度.平面波入射到这种梯度轴棱锥,其衍射场会形成两个区域的Bessel光,并且在这两个Bessel光之间形成一个Bottle beam（局域空心光束）.由于Bottle beam具有三维封闭的空心区域和极高的强度梯度,可用作激光导管、光镊和光学扳手等,在生命科学和纳米科技中有重要应用.从几何光学角度分析了梯度轴棱锥形成单个Bottle beam的原理,由衍射及相干理论,分析和模拟了纵向剖面光强分布和横截面光强分布.研究结果对梯度轴棱锥的设计和应用具有指导意义. 关键词： 梯度轴棱锥 Bottle beam 轴棱锥 Bessel光     

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.     

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     

无衍射光束成像系统携带信息的研究

研究了无衍射光束成像系统对图像信息的携带情况。在入射的平面波中加入图像信息,基于基尔霍夫衍射公式和菲涅耳衍射公式的角谱理论,使用离散傅里叶方法描述图像经轴棱锥后在观察面的光强分布,对图像面进行数据抽样并引入色散公式;将离散傅里叶公式导入Matlab并设置参数模拟,得到不同位置处的光强图。实验中,利用蓝光LED发出光束经扩束后入射到含有信息的菲林片和轴棱锥上,实验参数与数值模拟一致,利用CCD观察结果,对比模拟结果可知:菲林片上的图像经轴棱锥后,在传输100mm内,可以完整观察到图像信息,图像大小会随距离的增加而减小。实验结果与数值模拟十分吻合。     

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。     

新型锥透镜产生局域空心光束

首次提出产生局域空心光束(Bottle beam)的另一类新型锥透镜模型.讨论了凹凸两种模型,分别是在传统轴棱锥的底部磨削和胶合圆台结构形成.研究结果表明平面波正入射新型凹锥透镜可产生单个Bottle beam,正入射新型凸锥透镜可形成具有周期性的Bottle beam.通过几何光学分析了产生Bottle beam的原理,计算了Bottle beam的相关参数.由衍射积分理论分析和模拟了新型锥透镜后的光强分布特性,所得分析结果与几何光学分析基本符合. 关键词： 新型锥透镜 Bottle beam 轴棱锥 Bessel光     

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     

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.     

椭圆孔径与轴棱锥系统产生带状近似无衍射光束

基于菲涅耳衍射理论,硬边孔径的复高斯函数展开法及稳相法研究了椭圆孔径与轴棱锥系统的光束传输特性,推导出了高斯平面波经轴棱锥衍射后产生的无衍射光场的表达式,数值模拟了不同传播距离处的截面光强分布,并设计了实验进行验证。用电荷耦合器件(CCD)拍摄得到不同传播距离处的光强分布。实验和模拟结果均表明平面波经椭圆孔径和轴棱锥系统后可获得具有马丢光束特征的带状无衍射光束。研究结果对无衍射光束在光学无损检测、条码扫描等应用上具有重要的指导作用。     

产生不同类型局域空心光束的可拆式组合轴棱锥

提出一种产生尺寸可调局域空心光束的新型光学元件——可拆式组合轴棱锥,这种新型光学元件是在传统轴棱锥的中部沿其轴线方向贯通开设一圆孔,在圆孔内嵌设一第二轴棱锥组成。通过更换不同底角的第二轴棱锥(或第一轴棱锥),可形成不同尺寸的单个局域空心光束或周期性局域空心光束。从几何光学出发分析了产生局域空心光束的原理,计算了局域空心光束的相关参量。由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件的光强分布特性。几何光学和衍射理论所得分析结果基本吻合。     

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。     

基于轴锥镜对的高光能利用率激光通信天线性能分析

提出一种增加轴锥镜对的同轴反射式光学结构激光发射天线方案,通过对入射光束的光强重新排布,降低同轴反射式结构固有的中心遮拦造成的能量损失,提高光能利用率.运用衍射光学原理分析并模拟了单色高斯光束经过轴锥镜对后传播至天线光阑平面处的光场分布,比较了普通同轴反射式天线和高光能利用率天线在不同入射光束腰半径、不同线遮拦比下的发射光能利用率.结果表明:高光能利用率天线在线遮拦比0.1和0.25的情况下,通过合理调整入射光束腰大小,光能利用率分别可达到99%和96%以上,远高于传统的同轴反射式天线.分析了高光能利用率天线发射光束的远场光强分布,发现其进入接收天线口径内的光场可近似为平顶分布.     

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.     

Solid immersion axicon: maximizing nondiffracting or Bessel beam resolution

A new type of optical configuration--a solid immersion axicon (SIAX)--is proposed. Similar to a solid immersion lens for Gaussian beams, a SIAX increases the diffraction-limited resolution for propagating Bessel beams by a factor of the refractive index of the media. For incident radial polarization, the scheme generates the smallest focal spot available for nondiffracting beams. The configuration can be implemented with either refractive or diffractive axicons. The scheme may find use in microscopy, imaging, lithography and data storage, and other applications requiring nondiffracting beam characteristic features such as very large focal depth.     

Fresnel axicon

A new optical element, a Fresnel axicon (fraxicon), is proposed. Similar to a Fresnel lens, this element consists of concentric prism-like grooves with an apex angle equal to that of a bulk axicon and whose action relies on refraction. The fraxicon is less chromatic and simpler to manufacture than holographic optical element-based diffractive axicons and, in comparison with regular refractive axicons, is more compact with less absorption loss in the material while allowing significant economy in mass production.     

Intensity distribution and focal depth of axicon illuminated by Gaussian Schell-model beam

In view of second-order coherence theory, the generalized diffractive axicon illuminated by partially coherent Gaussian Schell-model (GSM) beams is analyzed. An analytical equation for focal depth of axicon without aperture illuminated by spatial partially coherent GSM beam is derived. We showed that the off-axis images can be evaluated by using the method of stationary phase at any correlation state, hence we demonstrated that the intensity distribution of diffracted beam is a superposition of Bessel Beams of various orders. We also showed that the diffracted beam is nondiffractive only on the boundaries of the focal depth.     

Design and Analysis of Diffractive Axicons for Gaussian Beam Illumination

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｒｅｃｅｎｔｌｙｔｈｅｒｅｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅａｘｉｃｏｎｓｔｈａｔｐｒｏｄｕｃｅａｆｏｃａｌｓｅｇｍｅｎｔｗｉｔｈｎｅａｒｌｙｕｎｉｆｏｒｍｏｐｔｉｃａｌｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｌｏｎｇｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｘｉｓｗｉｔｈｉｎａｓｐｅｃｉｆｉｅｄｒｅｇｉｏｎｂｅｈｉｎｄｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔ[1～1 2 ] .Ｔｈｉｓｉｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｕｎｕｓｕａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａ…     

Optical properties of light filter designed on absorbing axicon

The optical properties of a light filter designed based on an absorbing axicon are studied. It is shown that if axes of the filter and a radially symmetric incident beam coincide, then the light transmission through the filter is minimal. This phenomenon can be used to find the beam center, radius and divergence, as well as to form properly collimated Gaussian beams. The filter allows the apodization and continuously tuning of the laser radiation intensity.