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。     

环形光束产生局域空心光的几何光学分析与实验

提出一种用环形光束产生局域空心光的新方法,即用环形光束垂直入射锥透镜底面,沿光轴方向就会产生局域空心光。用几何光学分析模拟了环形光束产生的局域空心光的过程和传输方向上不同位置的截面光强分布,推导了局域空心光暗域的横向和径向大小的计算式,分析了影响局域空心光暗域的大小的因素,并给出相关的实验结果,实验与理论基本吻合。与双锥透镜、锥透镜-透镜产生局域空心光相比,这种方法结构简单,元件容易加工,具有重要的应用价值。     

基于零级贝塞尔光束干涉产生的局域空心光束

通过对由两个零级贝塞尔光束相干叠加形成的三维衍射光场的理论分析和计算机模拟,发现当双零级贝塞尔光束的有关参量满足一定条件时,会在光轴上形成一系列高质量的局域空心光束。在此基础上,进一步分析了这种阵列局域空心光束的大小、阵列周期及局域空心光束的质量与双零级贝塞尔光束和光路参量的定量关系。推导出双零级贝塞尔光束叠加时在中心暗斑位置达到完全干涉相消的条件是通过两个环缝的能量要相同,以及产生最佳局域空心光束的内外环缝光源半径的比值为0.465。该研究为进一步设计制备基于双零级贝塞尔光束干涉实现阵列局域空心光束的新型衍射光学元件提供了理论依据和设计参量。     

自成像局域空心光束产生的新方法及粒子俘获

本文提出了产生自成像局域空心光束(self-imaged bottle beams)的一种光学元件------液体轴棱锥.从衍射理论结合几何光学对经过轴棱锥后的光场进行了分析, 得出注入液体折射率小于轴棱锥材料折射率时可产生自成像局域空心光束.并通过软件MathCAD模拟, 得到一个完整周期光束的变换过程和局域空心光束的演变过程.研究发现液体轴棱锥产生的自成像局域 空心光束具有周期及相干长度可调的特点.分析了如何利用自成像局域空心光束对粒子进行俘获, 讨论了用自成像局域空心光束进行多层面粒子俘获的优势.     

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     

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。     

液体轴棱锥产生尺寸可调的单个局域空心光束

提出产生尺寸可调单个局域空心光束(bottle beam)的一种液体轴棱锥新模型.从几何光学角度分析了液体轴棱锥产生局域空心光束的原理,同时利用衍射理论加以模拟验证.得出:注入液体折射率大于轴棱锥材料折射率时可产生单个局域空心光束.通过光学设计软件TraeePro建立液体轴棱锥模型并模拟其光束传输变换特性.计算和模拟不...     

相干贝塞尔光产生具有塔尔博特效应的局域空心光束

提出一种由轴棱锥产生的贝塞尔光干涉整形得到具有自成像塔尔博特效应的近似无衍射局域空心光束的新方法。详细分析了两束相干同频率贝塞尔光的相互作用原理及其如何控制局域空心光束的空间尺寸。数值模拟了干涉叠加后光场沿传输距离变化的光强分布及一个完整周期内光强的演变和局域空心光束的形成过程,给出了相干贝塞尔光产生局域空心光束的个数及局域空心光束最大无衍射距离的表达式。     

亚微米局域空心光束的产生及其在单原子囚禁与冷却中的应用理论研究

提出了一种采用单模光纤、环形二元相位板和微透镜组成的光束整形系统产生亚微米局域空心光束的方案. 根据瑞利-索莫菲衍射积分公式, 数值计算了微透镜焦平面附近的场分布, 详细研究了空心光束的暗斑尺寸与单模光纤模场半径和微透镜焦距的关系. 数值计算结果表明: 在微透镜焦平面附近光场分布近似对称, 在焦点处场强近似为零, 周围场强逐渐增大, 形成半径约为0.4 μm的三维封闭的球形空心光场区域, 即亚微米局域空心光束. 当局域空心光束为蓝失谐时, 光场中的原子将被囚禁在光场最弱处. 若加上抽运光, 原子将受到蓝失谐局域空心光束与抽运光共同激发的强度梯度Sisyphus冷却. 本文利用该方案产生的亚微米局域空心光束构建单原子的囚禁与冷却器件, 并以单个⁸⁷Rb原子为例, 利用Mont-Carlo方法研究亚微米局域空心光束中单原子囚禁与强度梯度冷却的动力学过程, 结果表明利用该器件可以获得温度在5.8 μK量级的超冷单原子.     

空心锥状双高斯光束传输特性研究

建立了空心锥状双高斯光束的模型.在空心高斯光束模型的基础上,由初始光场的光强分布,利用柱坐标下的柯林斯公式,导出了空心锥状双高斯光束经过傍轴光学系统的解析传输变换式由传输变换式计算分析了空心锥状双高斯光束在自由空问的可控传输特性,及在1,10和60 m的截面光环的光强分布.用KNbO3双轴晶体进行实验,获得了空心锥状双高斯光束,外锥折射的锥角等于入射光会聚角.实验表明,当空心光束处于锥状发射状态时,空心光束的光环内黑斑面积随传输距离的增加而增加,实验结果与模型吻合较好.该研究为进一步设计制备基于空心锥状舣高斯光束的新型激光元件提供了理论依据和设计参量.     

Airy加速光束的局域空间频率及其在光束设计中的应用

Airy加速光束是近年来备受关注的一种新型无衍射光束. 它所具有的自由加速、无衍射及自恢复特性使其在光学微操纵、非线性光学、 电子加速等诸多领域显示出重要的应用价值. 因此, 如何方便高效地生成加速光束成为近年来的一个热点研究内容. 本文对Airy加速光束复振幅分布的空间振荡特性进行了分析, 建立了利用局域空间频率描述其加速特性的理论. 提出了利用零点坐标计算加速光束局域空间频率的方法, 通过非线性拟合给出了可以精确描述Airy光束局域空间频率的解析公式; 确定了加速光束的局域空间频率函数与加速轨迹之间的定量关系, 给出了由给定加速轨迹计算相应的局域空间频率以及加速光束的纯相位函数的一种简单计算方法. 将上述分析结果用于设计产生具有给定加速轨迹的加速光束所需的相位函数, 成功求出了能够产生圆弧形加速轨迹的新型加速光束的纯相位函数的解析表达式. 基于该相位函数设计的纯相位衍射光学元件的模拟衍射结果证明了上述方法的可行性. 关键词： 衍射光学 加速光束 局域空间频率     

部分相干光对周期性局域空心光束的影响

用旋转毛玻璃和光阑把激光变成部分相干光, 再经过双轴棱锥系统把一束平行光变成两束同频率但不同径向波矢分量的无衍射贝塞尔光, 相干叠加产生了部分相干的周期性局域空心光束. 通过干涉理论与实验结果相互佐证, 得出局域空心光束的周期为2.5 mm. 进一步探究入射光场相干度对产生局域空心光束的影响, 发现随着相干度的降低局域空心光束中心暗斑与周围光强的衬比度会降低, 但不影响局域空心光束的周期以及中心暗斑尺寸.     

新型发光二极管透镜产生局域空心光束

首次提出采用发光二极管和二次光学透镜直接产生单个局域空心光束的方法.首先从几何光学角度分析发光二极管点光源结合二次光学透镜产生局域空心光束的原理,推算出所得局域空心光束长度及最大暗域半径计算公式,随后用数值计算软件Matlab,3D建模软件Soidworks及光学仿真软件Tracepro计算得出一款二次光学透镜并进行了仿真验证.同时计算了可能获得的局域空心光束的最小尺寸和囚禁粒子的散射力.结果显示:该透镜能够产生单个局域空心光束,所得局域空心光束的长度及最大暗域半径都在误差允许范围内与理论计算符合.研究成果为采用发光二极管光源产生局域空心光束提供一种现实可行低成本的有效方法.     

一种产生Mathieu光束的光学系统

设计了一种简单而新颖的光学元件。光束经过此元件后,再利用透镜聚焦便可产生无衍射Mathieu光束,且改变衍射元件的参数,Mathieu光束的q值随之改变。利用离散傅里叶方法从理论上导出了该光学系统的Mathieu光束的表达式,采用Matlab模拟了光斑强度。数值模拟和实验结果证实了此元件产生无衍射Mathieu光束的有效性。     

一种新空心光束的理论及实验研究

提出了一种用来描述空心光束的新理论模型——空心高斯光束模型，通过控制光束参数可以方便地调制空心光束黑斑的大小.导出了空心高斯光束经傍轴光学系统的解析传输变换公式.利用导出的公式计算分析了空心高斯光束在自由空间的传输特性.在实验上利用矩阵本征值方法设计了能输出空心高斯光束的光学谐振腔，对实验上得到的空心高斯光束进行了传输特性的研究.结果表明，理论和实验相吻合.该空心高斯光束产生的光势阱为控制冷原子提供了一条新途径. 关键词： 空心高斯光束 光学谐振腔 传输特性     

非线性晶体产生的空心光束中大尺寸粒子囚禁与导引

提出了一种基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束与光泳力的大尺寸粒子二维囚禁与一维导引、三维囚禁方案.理论上分析并计算了单个非线性ZnSe晶体产生的空心光束内粒子受到的横向与纵向光泳力,纵向光泳力的大小同粒子尺寸与光束尺寸比例的四次方成正比,与空心光束功率成正比,方向与光束传播方向一致.粒子尺寸与空心光束尺寸越接近时,横向光泳力的大小越大.结果表明该光泳力可以实现对大尺寸粒子的二维囚禁,同时可对粒子进行长距离(米量级)一维定向导引;理论上分析并计算了基于双非线性ZnSe晶体产生的局域空心光束内粒子所受横向与纵向光泳力情况,光泳力与系统参数的依赖关系与单个非线性晶体产生的空心光束中的粒子受力情况类似,不同的是该条件下纵向光泳力指向光束中心.结果表明该局域空心光束可以实现大尺寸粒子的三维有效囚禁.基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束或者局域空心光束可以作为大尺寸粒子非接触式有效操控的工具,在现代光学以及生物医学中有潜在的应用.     

中性原子在单束局域空心光束中的Sisyphus冷却

我们提出了一种采用径向分布的π位相板产生局域空心光束的新方法。研究发现局域空心光束的径向暗斑尺寸与相对孔径的倒数的一次方成正比，而轴向暗斑尺寸与相对孔径的倒数的二次方成正比，这表明改变聚焦透镜的焦距，即可有效地改变局域空心光束的暗中空区域。此外，在焦点附近局域空心光束的强度梯度很大，当它处于蓝失谐时，由强度梯度感应的Sisyphus冷却效应将非常显著。因此，蓝失谐的局域空心光束不仅可用于中性原子的激光囚禁，而且也可用于中性原子的激光冷却。我们采用Monte-Carlo模拟方法就中性原子在单束局域空心光束中的Sisyphus冷却的动力学过程进行了理论研究。结果表明一个温度约为3μΚ和密度为～1012atoms/cm3的超冷原子样品可以在我们的单束局域空心光束囚禁中获得。进一步的理论分析表明如果通过改变聚焦透镜的焦距来压缩上述超冷原子样品，将光阱中的原子密度控制在碱金属原子的BEC密度范围之内，并同时采用光学势蒸发冷却技术，将原子温度进一步冷却至光子反冲温度附近时，一个全光学冷却与囚禁的碱金属原子BEC也许能在我们的单束局域空心光束势阱中实现。     

基于调制光束的空间相干性获得局域空心光束

 通过调制部分相干光的空间相干性,实现了局域空心光束的产生。理论上根据范西泰特-策尼克定理及标量衍射积分,构造出具有一定空间相干性的部分相干光,并研究其聚焦特性。实验上采用理论上要求的光学系统来构造具有特定空间相干性的部分相干光,并采用薄透镜聚焦部分相干光。研究表明,当构造出的部分相干光经透镜聚焦,可得到局域空心光束。研究了光学系统的参数及透镜焦距对产生局域空心光束的影响,结果显示：光阑的拦截比及透镜的焦距越大,获得的空心光束的尺寸就越大。     

三环非均匀混合偏振同轴矢量光束的聚焦特性

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式,数值分析了同轴三环非均匀混合偏振矢量光束经过高数值孔径透镜的聚焦特性。该矢量光束由同轴三环局域线偏振矢量光束通过一个相位延迟角为δ的液晶相位延迟器产生,光束偏振变为包含线偏振、圆偏振和椭圆偏振的混合态。同轴三环局域线偏振矢量光束的偏振分布是由径向向内偏振的外环光束、径向向外偏振的内环光束和线偏振方向与径向方向夹角为φ2的中环光束构成。数值模拟结果显示该混合偏振矢量光束的聚焦强度分布与参数φ2和相位延迟角δ密切相关,当选取适当的φ2和δ时,在焦平面附近产生沿光轴方向的三维多点光俘获结构——暗光链,这在光学微操纵领域具有潜在的应用价值。     

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