无衍射光的干涉实验与理论分析

分析了两束无衍射光的干涉场分布形式和干涉条纹轨迹。将一束单色光入射两小孔产生的两束相干光照射轴锥镜,在轴锥镜后将产生两束无衍射光。根据单束倾斜光入射轴锥镜的无衍射理论,分析出这两束无衍射光产生的干涉场为每束无衍射光的无衍射场的线性叠加。利用零阶贝塞尔函数的零点公式,推导出两束无衍射光的干涉条纹的轨迹为双曲线。计算结果表明,干涉场中两中心的间距与两孔实际的间距和干涉场距轴锥镜的距离成正比。实验结果与理论仿真相一致。     

干涉理论对bottle beam的描述

对轴棱锥产生的贝塞尔光聚焦特性的描述，我们提出一种有别于惠更斯-菲涅耳衍射积分理论的解析表达.这种解析表达基于干涉理论的基础，它能够模拟计算出聚焦透镜置于最大准直距离之外以及在聚焦透镜焦平面以后的光束行为，能够更好地描述bottle beam的形成过程，这些结果用衍射积分理论是得不到的.我们还得到了与Wei用几何光学分析所得出的当z_0max将产生hollow beam的不同结论.所有理论计算结果都得到实验的有力验证. 关键词： bottle beam 贝塞尔光 轴棱锥 光镊     

双焦透镜对Bessel光束传输的影响

研究非轴对称象散光学元件双焦透镜对无衍射Bemel光束的聚焦特性.基于空间域中的广义惠更斯.菲涅耳衍射理论衍射积分,用4×4阶矩阵来描述非轴对称光学系统,导出Bessel光通过双焦透镜更为普遍和广义的光强分布表达式,并对其光强进行数值模拟.分析双焦透镜在x,y面上的焦距取不同值时对Bessel光的影响.导出的广义光强分布表达式包括了普通透镜、双焦透镜和柱透镜的所有情况.研究发现,当象散越大,图形畸变程度越大,导致得到的光学bottle beam的光束质量下降,bottle壁变形,囚禁微观粒子的能力也随之下降.     

双轴棱锥产生长距离近似无衍射光的新技术

提出了一种利用会聚透镜、轴棱锥等简单光学元件产生长距离近似无衍射光的新技术. 分别利用几何光学和衍射理论分析了该方法产生长距离近似无衍射光束的原理, 通过软件模拟了长距离近似无衍射光束的形成过程,得出了该光束在不同距离处的横向光强分布. 模拟结果显示该光束在较长距离处的横向光强分布满足Bessel分布. 从实验上获得了传播距离长达80 m、中心光斑发散角约为0.12 mrad的近似无衍射光束, 相比于国外学者最近的研究成果(Belyi et al. 2010 Opt. Exp. 18 1966)将传播距离延长了50多米,而光束发散角压缩了22倍.实验中, 对光束沿光轴传播时在不同距离处的光斑进行了拍摄,所得实验结果与理论分析基本符合.     

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.     

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.     

模拟分析光的衍射与干涉

基于物理光学的惠更斯-菲涅耳原理及基尔霍夫积分公式,应用Matlab软件编程模拟了光的单缝衍射和双缝衍射(干涉),从而形象地给出了衍射和干涉的内在区别和联系,也为相关的光学教学设计提供了新思路.     

光源相干度对Bessel光最大无衍射距离的影响

理论分析和实验研究了光源相干度对其产生的Bessel光最大无衍射距离的影响.以He-Ne激光器为光源,用旋转毛玻璃法产生部分相干光,经过扩束后再用轴棱锥法产生Bessel光束.通过移动旋转毛玻璃改变部分相干光的相干度,测量其产生的Bessel光束的最大无衍射距离,得到光源相干度与产生Bessel光束最大无衍射距离的关系.结果表明,随着光源相干度的降低,Bessel光束最大无衍射距离明显变短,当相干度g≈1下降为g=0.8时,最大无衍射距离缩短了一半.用高斯-谢尔模型进行分析和模拟,理论模拟结果与实验观察结果基本吻合.     

Bessel beam spatially truncated

We present a study of spiral structures generated by superposition of a truncated Bessel beam and a plane wave. One of the main characteristics of spiral structures is that the shape of spiral beams remains unchanged upon propagation. The results of experimental observations using a Mach-Zehnder interferometer are compared with the numerically calculated intensity distribution. We show that when spiral beams are disturbed by a nontransparent obstacle, the amplitude of the transmitted field is distorted at nearby distances behind that obstacle, but during free-propagation, it regenerates to its initial form.     

Refractive system for generation of high-power diffraction-free laser beams

A refractive system is designed to convert a high-power annular beam into a circular Bessel beam. The input and output surface of the proposed system is derived. We provide cubic polynomial approximation of the surface profiles. A ray tracing through the complete system is provided to verify the design. The design parameters can be selected to choose the desired beam power in the central lobe and length of the refractive system.     

无衍射贝塞尔光束相干的理论与实验

分别使用两种不同底角的轴棱锥产生无衍射贝塞尔光束。理论分析了单束贝塞尔光及两束贝塞尔光相干叠加后光场的光强分布,分析了产生的局域空心光束在一个完整周期内的特性。数值模拟了光沿纵向传播时光场的横向光强分布,并给出了相关的实验。对单束贝塞尔光及两束贝塞尔光干涉后的中心光斑的大小进行了测量,测量结果与理论计算结果吻合。     

The generation of Bessel beams at millimetre-wave frequencies by use of an axicon

An axicon is used to generate a Bessel beam at 90 GHz in the millimetre-wave region of the spectrum. The Bessel beam has a central intensity maximum of approximately 4 mm in diameter that is maintained over a propagation distance greater than 60 mm.     

Quasi Bessel beam by Billet's N-split lens

This study utilizes the focal property of a classical Billet's split lens to create more focal points by splitting the lens. This approach distributes the focal points circularly on the focal plane. This study explores the characteristics of beam propagation and analytically derives the asymptotic characteristics of beam propagation based on the stationary phase approximation and the moment-free Filon-type method. Results show that the unique Billet's N-split lens can generate a quasi Bessel beam if the number of splitting N is large enough, e.g., N ≧ 24. This study also explores the diffraction efficiency of corresponding quasi Bessel beam and the influence of aperture size. The potential advantage of proposed split lens approach is that, unlike the classical means of annular aperture, this simple lens approach allows a much larger throughput in creating the Bessel beam and hence the Bessel beam could have more optical energy.     

用三光束干涉模型解释锥镜产生类贝塞尔光束

对高斯光束通过锥镜产生类似贝塞尔光束的环形光束进行了理论分析及实验研究.数值模拟过程中,基于相干光干涉理论,考虑到实际情况中锥尖不尖带来的影响,建立了三光束干涉的数学模型.模拟得到的光场分布与实验结果及基于菲涅尔衍射积分理论或空间光谱理论得到的零阶贝塞尔光束很接近.这种光场具有非衍射特性,可应用于新型光镊研究.     

贝塞尔光束与激光打孔

当高斯激光束用于打小孔时，焦深很小。截断的贝塞尔光束的主极大具有很长的焦深，可降低调焦精度，用于打小孔时优于高斯光束，但是分析表明两者的成孔质量和所能实现的深径比差不多。本文通过计算指出环状分布的光束经透镜后可在焦平面产生适用于激光打孔的贝塞尔－高斯光束，这是一种高效、简单实用的方法。