Bessel光束自重建的模拟仿真与实验验证

Bessel光束的重建特性对于粒子多层面操控具有特殊意义. 依据Hankel波理论,分析了无衍射Bessel光束的产生及重建原理, 系统地对轴上圆形障碍物、方形障碍物和离轴圆形障碍 物进行了详细论述.利用光学设计软件ZEMAX对轴棱锥产生Bessel光束经过各 种障碍物的重建现象进行了系统的模拟仿真. 对建立的仿真模型进行实验验 证,实验结果与模拟仿真符合得很好. 结果表明 ZEMAX软件可以对轴棱锥产 生Bessel光束的重建特性进行灵活直观的建模仿真,且仿真结果具有很高的 准确性.     

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.     

障碍物后周期性Bottlebeam的自重建

本文分析了由两束贝塞尔（Bessel）光相干产生的周期性局域空心光束（Bottlebeam）遇到障碍物后的自重建特性．由汉克尔波理论分析了自重建的原理,利用衍射积分理论数值模拟了轴上圆形障碍物对光束传输的影响．结果表明,周期性Bottlebeam遇到障碍物遮挡时具有自重建特性,重建后的光束依然保持着障碍物前的光强分布特性．研究结果对于利用周期性Bottlebeam实现微粒的多层面操控具有特殊意义．     

部分相干无衍射光束经环形孔径的传输特性

理论上利用高斯谢尔模型和交叉谱密度的传播公式得到部分相干Bessel光束经过环形孔径的光强表达式.通过Mathcad软件数值模拟光强表达式,得到在不同传播距离的截面光斑图,结果表明部分相干Bessel光束在经过环形孔径后会产生空心光束.实验中以绿光LED为光源,经轴棱锥聚焦得到部分相干Bessel光束,在其无衍射距离内放置环形孔径.使用体视显微镜照相系统拍摄部分相干Bessel光束经过环形孔径的衍射光斑图,得到的结果与模拟结果吻合.     

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。     

无衍射光束提高成像系统分辨率

设计了一种在非相干光源下利用轴棱锥产生的无衍射光束成像系统.基于衍射积分理论与点扩散函数推导出成像系统分辨率的表达式,利用光学软件对无衍射光束成像系统的初始结构模型进行仿真,并以蓝光LED作为光源,将条纹状物体、透镜组以及轴棱锥等光学元件组合为成像系统进行实验.结果表明:实验结果与理论分析相符,即非相干光源无衍射Bessel光束成像系统利用无衍射光束的特性能够提高成像分辨率.     

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.     

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.     

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.     

无衍射Mathieu光束经轴棱锥的聚焦特性

基于Mathieu-Hankel波理论分析了Mathieu光束经轴棱锥后的聚焦特性,并利用菲涅尔衍射积分理论及稳相法,推导出Mathieu光束经轴棱锥后的准确解析表达式.数值模拟了无衍射Mathieu光束经轴棱锥线性聚焦后的光场在不同传播距离处的截面光强分布及轴上光强分布.理论分析及数值模拟均表明无衍射Mathieu光束经轴棱锥聚焦后会产生周期性Mathieu光束.研究结果对扩展Mathieu光束的应用范围提供了理论依据.     

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。     

光源频谱宽度对Bessel光束亮暗梯度的影响

分析了三种不同频谱宽度的光源(激光、绿光LED和白光LED)产生无衍射贝塞尔(Bessel)光束亮暗环的梯度。分别模拟得到在不同位置的光强截面图,并计算各亮暗环的光强值,引入对比度的计算公式,计算了三种不同频谱宽度的光源产生贝塞尔光束亮暗环的对比度,可以得到频谱宽度越宽的光源产生的贝塞尔光束亮暗环之间的对比度降低,亮暗环强度梯度下降,从而导致囚禁粒子的能力降低。根据三种光源的特性设计了实验装置,并在与理论模拟相应的位置分别拍摄了三种不同频谱宽度光源产生的无衍射光斑图。对实验中拍摄到的光斑图进行对比度计算,可以得知频谱宽度越宽的光源产生的无衍射光束,其截面光斑亮暗环的对比度降低,亮暗环强度梯度降低,囚禁粒子能力下降,理论和实验相吻合。     

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。     

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。     

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。     

LD泵浦的Nd:YVO_4激光器被动式产生近似无衍射绿光

使用连续式输出的砷化镓半导体激光器泵浦的掺钕钒酸钇激光器作为光源,利用磷酸氧钛钾晶体腔内倍频产生波长为532nm的绿光,通过轴棱锥产生了近似无衍射贝塞尔光束。推导了倍频产生的绿光的场分布,并模拟了倍频绿光经过轴棱锥产生的近似无衍射光束的轴向光强分布图和截面光强分布图。通过实验拍摄了距离轴棱锥不同位置的截面光强分布,测量了无衍射贝塞尔绿光的最大无衍射距离和中心光斑直径,实验数据与理论模拟基本吻合。实验结果说明所述方法产生的倍频无衍射绿光具有良好的光束质量,具有应用价值。     

Propagation and transformation of Bessel beam through the fractional Fourier transform system with two hard-edged apertures

The propagation properties of Bessel beam is a meaningful research. In this paper, based on the expanding the hard-edged circular aperture as a finite sum of complex Gaussian functions and the scalar diffraction theory, an approximate analytical solution for Bessel beam propagating through a fractional Fourier transform system is derived in the cylindrical coordinates. Then, the detailed numerical calculation for Bessel beam is presented. The simulation also shows that the beam parameter and the order of fractional Fourier transform result in the change of field distribution, including location, intensity and width.     

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。