聚焦高阶Bessel-Gauss光束重建的理论和实验研究

提出利用薄透镜元件对聚焦后的高阶Bessel-Gauss光束进行重建. 基于衍射理论, 分析了高阶Bessel-Gauss光束聚焦后的重建行为, 数值模拟高阶Bessel-Gauss光束经薄透镜聚焦再通过另一薄透镜重建的三维光场分布和截面光强分布图. 结果表明, 高阶Bessel-Gauss光束经单个薄透镜后产生中空的局域空心光束, 在焦点位置处为圆环, 尔后迅速发散; 在焦点后合适位置处放入另一薄透镜可矫正焦点后发散的光束, 使得其后光场不变, 仍满足Bessel分布; 实验结果与理论分析相符合. 研究结果对光镊、粒子捕获与操控具有一定的指导意义. 关键词： 衍射理论 传输矩阵 高阶Bessel-Gauss光束 重建     

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.     

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.     

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.     

一种产生无衍射贝塞尔光束的新型组合锥透镜

提出一种可产生无衍射贝塞尔(Bessel)光束的新型光学元件——组合锥透镜,由正、负轴棱锥胶合在一起设计而成。其变换光束特性与单个正轴棱锥相同,等效底角由正、负轴棱锥底角之差决定,因此可通过较大底角的正、负轴棱锥组合得到更小角度的底角,以获得更长距离的无衍射光,解决了单个正轴棱锥小角度加工困难的技术问题。推导出组合锥透镜的ABCD传输矩阵,数值模拟平面波通过组合锥透镜后的光场为无衍射Bessel光束,并从几何光学角度用Zemax软件模拟组合锥透镜后的光场分布,与正轴棱锥后的光场进行了比较。研究结果为实现无衍射Bessel光束开辟一条新的途径。     

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.     

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.     

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.     

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。     

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     

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。     

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。     

Experimental Research on Focusing Property of Radially Polarized Beam Based on Solid Immersion Lens

Realization of a near-field optical virtual probe based on an evanescent Bessel beam is strongly dependent on a radially polarized beam; this makes it essential to study the focusing property of the beam. In this paper, two experimental setups based on a fiber device and a liquid crystal device, respectively, are built to generate a radially polarized beam. This beam and an annular radially polarized beam are focused by means of a high numerical aperture objective and a solid immersion lens (SIL). Near-field distribution of the focus spot, the evanescent Bessel field, is experimentally measured with a scanning near-field optical microscope (SNOM). The full width at half maximum (FWHM) of the central peak of the evanescent Bessel field is about 200 nm in the close vicinity of the bottom surface of SIL. This has potential for use as a near-field optical virtual probe.     

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.     

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。     

线激光束均匀化整形方法研究

为解决核物理工程、表面热处理、激光加工、激光通信中传输激光束的均匀性问题,提出采用三角楔柱透镜改善线激光均匀性的新方法,并在ZEMAX开发环境下建立了整形光路系统的理论模型。利用所建立的模型,分析了整形柱透镜在不同半径、斜面夹角、透镜介质折射率等参数下光束的均匀性。研究表明：在远场条件下,通过改变整形柱透镜的参数,能够得到能量分布均匀的线激光。在实际应用中,可以采用1个半圆柱和2个相同三角楔胶合成型的简单工艺。进一步模拟发现,两种整形系统所得到的均匀度和线宽一致。