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。     

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.     

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。     

Bessel光束纵向特性及参量的影响

利用数值计算研究了Ｂｅｓｓｅｌ光束的纵向特性及参量对其的影响，发现在光强达到最大值Ⅰｍａｘ后，先迅速衰减但是并不趋于零，而后缓慢减小；光强的衰减速度，决定于β的大小，而光强的振荡性同时与β和Ｒ有关。只有当β→０和Ｒ→∞同时被满足时，才能实现理想无衍射光束。     

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.     

二元环形孔径全空间轴线上的衍射光强分布

运用Rayleigh-Sommerfeld衍射积分,详细推导了二元环形孔径全空间在轴光强分布公式.由于未作明显的近似,所得公式对衍射距离大于数倍入射波长的衍射空间都是有效的.计算并分析了这种孔径轴线上的光强分布情况.结果显示,它的最大调制深度是入射光强的16倍,比圆形孔径或环形孔径大4倍,近场的光学层析能力比远场的强.在很近场区,二元环形孔径的在轴光强分布对孔径结构比较敏感,这些特性使这种孔径在光子学和光纤光学的应用方面具有潜在的价值.     

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。     

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。     

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.     

折衍射混合环形孔径超薄成像光学系统设计

为了突破基底材料的选择局限性,实现成像波段范围内的高质量成像,在环形孔径超薄成像系统引入成像衍射光学元件,设计了以光学塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基底材料、焦距为35mm、有效孔径为29 mm的4次反射结构的折衍射混合环形孔径超薄成像系统。该系统倍率色差小于2.2μm,在空间频率为166lp/mm时的MTF值大于0.4,实现了高质量成像。对环形孔径成像系统分别进行了公差分析与热分析,结果表明,在空间频率为166lp/mm时,各视场的子午和弧矢衍射MTF值大于0.2,在温度0℃～40℃时,各视场的子午和弧矢MTF值大于0.28.     

高斯光束照射下与矩孔相关的孔径衍射

依据基尔霍夫衍射理论,利用幂级数展开的方法,推导出傍轴条件下高斯光束的矩孔及单缝衍射的近似计算公式,并通过数值计算、数值模拟等方法对衍射场的基本特性进行了讨论。     

Propagation of vectorial nonparaxial Gaussian beams through an annular aperture

Starting from the vectorial Rayleigh diffraction integrals, the nonparaxial propagation of vectorial Gaussian beams through an annular aperture is studied. The analytical propagation expressions are derived, which permit us to treat the on-axis field and far field of vectorial nonparaxial Gaussian beams diffracted at the annular aperture, the nonparaxial diffraction at a circular aperture and a circular disc as our special cases in a unified way. The validity of our treatment is confirmed by direct numerical integration of the Rayleigh formulae. It is shown that the f-parameter and annular obscuration affect the beam nonparaxiality in the case of diffraction at the annular aperture.     

Bessel and annular beams for materials processing

Non‐Gaussian beam profiles such as Bessel or annular beams enable novel approaches to modifying materials through laser‐based processing. In this review paper, properties, generation methods and emerging applications for non‐conventional beam shapes are discussed, including Bessel, annular, and vortex beams. These intensity profiles have important implications in a number of technologically relevant areas including deep‐hole drilling, photopolymerization and nanopatterning, and introduce a new dimension for materials optimization and fundamental studies of laser‐matter interactions.     

环形光束锥形衍射出射光场偏振特性及光场调控

环形光束的锥形衍射效应对于微粒的操控具有重要的应用价值.本文建立了环状高斯光束的锥形衍射模型,并基于Berry理论给出了线偏振态下环形光束锥形衍射出射光场的计算公式.理论仿真了环状光锥形衍射出射光场的偏振特性,得出环光锥形衍射出射光场的内、外亮环具有相互正交的偏振分布特性.搭建了线偏振态下环状高斯光锥形衍射的实验系统,实验验证了出射光场的偏振特性.针对环形光束锥形衍射出射光场具备的偏振特性,设计了一种组合偏振片,理论和实验研究了该组合偏振片对环光锥形衍射出射光场的调控.结果表明,随着组合偏振片方位角的变化,锥形衍射出射光场的内、外环强度发生周期性的变化.     

被圆相位片衍射的空心高斯光束的远场矢量结构特征

基于麦克斯韦方程组解的矢量角谱表述与稳相法,在仅有远场近似的条件下,得到了被圆相位片衍射的空心高斯光束远场能流密度分布的解析表达式.结果表明,光束的总能流可以表示为自由项与附加项之和,其中附加项是相位片对能流分布的影响;总能流、自由项能流、附加项能流又可以分别表示为各自的TE项和TM项之和.利用所导出的公式,描绘了空心高斯光束的总能流、自由项能流、附加项能流及其各自的TE项与TM项能流的横截面分布图.讨论了截断参数与附加相移对纵向总能流分布的影响.     

Propagation characteristics of flattened Gaussian beams through a misaligned optical system with a misaligned annular aperture

The approximate analytical formula for flattened Gaussian beams through a misaligned optical system with a misaligned annular aperture was derived by the extended Huygens–Fresnel principle. Some numerical simulations are illustrated to the effects on the propagation of flattened Gaussian beams by the misaligned annular aperture. To compare the difference between annular apertured system and circular apertured system, the circular apertured system is also studied. The results show that angle misalignments and lateral displacements of aperture create asymmetrical average intensity distribution at receiving plane z = 500. The effects on intensity distribution by angle misalignments of annular aperture were small. In annular aperture case, the smooth of intensity distribution was worse with escalating obscure ratio ? in near-field; the side-lobes increased and the central lobe decreased with escalating obscure ratio ? in far-field. At receiving plane z = 500: for circular aperture, the side-lobes decreased, even to be neglected, with the increasing of truncation parameter δ; for annular aperture, the side-lobes increased with the increasing of truncation parameter δ. In addition, it is found that the aligned thin lens can fix asymmetry of intensity distribution which was caused by the misaligned annular aperture.     

光束通过含环形光阑的光学系统的传输特性研究

采用将环形光阑的窗口函数展开的傅里叶级数与复高斯函数的乘积的方法,推导出平面波经过含环形光阑光学系统的近似解析传输公式。利用该公式对光束通过含环形光阑的光学系统的传输进行了数值模拟,计算并分析了不同遮拦比下轴上光强分布和横向光强分布的特点。结果表明：轴上光强分布和横向光强分布与环形光阑的遮拦比有关。该研究方法和结果可推广到其他光阑,对控制光束和光学系统设计具有一定的参考价值。