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。     

梯度轴棱锥产生单个Bottle beam

首次提出一种新的梯度轴棱锥模型,这种梯度轴棱锥在传统的轴棱锥基础上,将轴棱锥顶点的锥角设计成具有一定的梯度.平面波入射到这种梯度轴棱锥,其衍射场会形成两个区域的Bessel光,并且在这两个Bessel光之间形成一个Bottle beam（局域空心光束）.由于Bottle beam具有三维封闭的空心区域和极高的强度梯度,可用作激光导管、光镊和光学扳手等,在生命科学和纳米科技中有重要应用.从几何光学角度分析了梯度轴棱锥形成单个Bottle beam的原理,由衍射及相干理论,分析和模拟了纵向剖面光强分布和横截面光强分布.研究结果对梯度轴棱锥的设计和应用具有指导意义. 关键词： 梯度轴棱锥 Bottle beam 轴棱锥 Bessel光     

Nanosecond zero-order pulsed Bessel beam generated from unstable resonator based on an axicon

We present what we believe the first experimental observation of a nanosecond zero order pulsed Bessel beam generated from an unstable resonator based on an axicon. The field distribution at the output coupler is simulated by means of Fox–Li iterative computation. It is shown that the experimental result is consistent with the numerical simulation. The application field and forecast of the zero-order Bessel beams are very wide, such as precision cutting and micro-operation experiment. Our experiments offer a new way to output zero-order Bessel beams directly.     

参数可控长距无衍射光束的生成方法研究

为了消除光学器件几何参数对无衍射光束传播特性调整的限制,实现长距空间中无衍射光束传播时特性参数的可控性,首先,通过研究axicon折射阴影区的电场分布特征,发现axicon无衍射区外过临界面后的近轴区域虽处于几何折射阴影近轴区域内,但仍存在光强服从第一类零阶贝赛尔函数分布的球面波;以此为基础,提出了一种不受传播空间距离限制的无衍射光束的生成方式;最后,在近12 m的尺度范围内进行无衍射光传播特性参数测试,发现其实验参数与理论计算值的差值不超过0.1μm。该无衍射光通过对第一类零阶贝塞尔函数分布的球面衍射光斑准直生成,本质上区别于传统的干涉无衍射光束生成方式,易于生成大尺度空间无衍射光束。该无衍射光生成方式适合用于非能量使用情况下大尺度空间的直线基准、光束空间通讯等领域,具有较大的价值与意义。     

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.     

高功率毫米波圆波导半径微扰模式变换器的优化设计

从半径渐变波导的耦合波方程出发,利用龙格-库塔法进行优化数值迭代,得到在3 mm波段,TE03-TE02, TE02-TE01高效率模式变换器的设计参数。通过优化程序,设计出了6周期TE03-TE02和3周期TE02-TE01模式变换器优化尺寸。利用CST微波工作室电磁仿真软件对结构尺寸进行优化仿真,仿真结果与优化程序计算结果基本一致。以此数据设计中心频率94 GHz的TE03-TE02,TE02-TE01模式变换器功率转换效率可以达到98.5%以上,90%功率转换的绝对带宽分别达到3.5和7.0 GHz以上,优于设计要求。     

A controlled conical lens for the formation of Bessel light beams

The possibility of the formation of zero-order Bessel light beams using a uniaxial crystal with cylindrical electrodes is investigated. It is shown that, if a given polarization distribution is provided in the incident beam, a Bessel light beam with the cone angle controlled by an external electric field is formed. It is proposed to use this result for the matching of the axicon parameters and creation of conical lenses with an adjustable cone angle.     

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。     

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.     

Phase-shifted Fresnel axicon

We propose an optical element: a phase-shifted Fresnel axicon for generation of multiple Bessel beams. By giving a binary phase modulation to the standard Fresnel axicon, the proposed element is generated. The phase profile of the binary phase modulation is engineered to generate two and three Bessel beams of equal intensities. This composite optical element is fabricated using electron beam direct writing. The performance of the fabricated device is evaluated using a semiconductor laser, and the generation of two and three Bessel beams is successfully demonstrated.     

Stokes参量数字全息法实现相位物体成像

为实现对相位物体的无损检测和成像,克服数字同轴全息相位物体成像技术在消除零级像和孪生像的干扰时存在的系列问题,提出一种基于Stokes参量的新的数字同轴全息技术。该方法区别于传统的利用干涉光场来记录原始像项的数字全息方法,通过测量物参光合成光束的Stokes参量来分别得到这两束光的振幅和相位差,从而准确、唯一地获得原始像项;再利用数字再现即可重构物光的振幅和相位信息。实验中对弱吸收的相位样品进行了测量,得到样品清晰的振幅和相位分布。结果表明,采用该方法对相位物体进行数字全息再现,可以克服传统同轴全息图中零级像和共轭像对相位物体信息的严重干扰,对于提取相位物体的振幅和相位信息是可行和有效的。     

Generation of thin and hollow beams by the axicon with a large open angle

We propose a method to produce diffraction-free thin and hollow beams. The method is based on Laguerre-Gaussian (LG) beams incident on a large open-angle axicon. We use the vector diffraction integrals and stationary phase method to deduce a simple and analytical formula of the propagating field of the linearly polarized LG beams through an axicon. The numerical results show that the hollow beams of whose diameter is in the order of the wavelength can be obtained by using the axicon with the refractive index n = 2 and the open angle α = 25°. These diffraction-free thin and hollow beams may be very useful to accurately trap and manipulate atoms. However, when the open angle is over large, the conversion efficiency from the LG beam to the diffraction-free hollow beam will decrease obviously.     

基于无衍射光莫尔条纹的轴锥透镜锥角测量方法

为了准确地测量轴锥透镜锥角值,根据无衍射光同心圆环间距不随距离改变的特点和莫尔条纹放大的特性,提出了一种基于无衍射光莫尔条纹的轴锥透镜锥角的测量方法。当无衍射光束经分束器分光合束后形成莫尔条纹,平移其中一束光在图像传感器上的位置,实现莫尔条纹数量的变化,通过记录不同莫尔条纹下的中心距离计算出轴锥透镜锥角。实验以锥角为0.5°的轴锥透镜作为被测对象,与CMM测量结果进行比较,该文提出的方法相对测量误差近似为0.54%,重复性为0.86″,验证了该文方法测量轴锥透镜锥角的可行性。     

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.     

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。     

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     

Intensity distribution around the focal regions of real axicons

We present a theoretical and experimental study of the intensity distribution of a laser beam, after its propagation through a real axicon. We show that, while an ideal axicon generates Bessel-like radial intensity profile and smooth on-axis intensity around the focal region, in practice, the bluntness of the tip of the axicon causes significant deviations from these profiles. In particular, strong oscillations occur on the on-axis intensity. The input beam size also plays a strong role; for small beams the axicon acts more like a conventional lens, while for the large ones, it exhibits two focal regions. We also propose scheme for apodization. In all cases, the experiments match closely with the calculations. Our results show that axicons cannot be assumed to always generate smooth on-axis intensities and the structures coming from the real profiles should be taken into account for most applications.     

Transformation of Bessel Beams in <Emphasis Type="Italic">C</Emphasis>-Cuts of Uniaxial Crystals by Varying the Emission Source Wavelength

We investigate experimentally the transformation of zero-order Bessel beams to a second-order Bessel eam in a c-cut of a CaCO₃ crystal. We show that the output-beam shape can be controlled by varying the emission-source wavelength and using a diffractive axicon. Beams were converted nearly totally at a wavelength change of Δλ = 1.5 nm and an initial wavelength λ = 637.5 nm of a CaCO₃ crystal, 15 mm in length, and a diffractive axicon with a period of 2 μm. We estimate the required wavelength variation Δλ = 1.7 nm, which is consistent with the experimental results.     

Diffraction-free beams and their caustics

We discuss the feasibility of generating focal areas in different diffraction fields and prove that the term ‘diffraction-free’ beams is used to designate a spatially limited portion of the toroidal light wave. The light line, or axial caustic, is a result of interference of intersecting areas of this wave. It is shown that the ‘diffraction-free’ beams are generated by such optical elements whose phase transmission function includes linear terms with respect to the radial coordinate. A comparison of optical characteristics of caustics in the near- and far-diffraction fields is made. Synthesis of a new diffraction-modulated axicon that forms two focal areas of different types is reported. The results of experimental studies of its optical characteristics are discussed.     

像散对轴棱锥衍射特性的影响与修正

光束斜入射到轴棱锥上引起的像散将导致其衍射光场发生畸变,由衍射理论出发推导了受像散影响的轴棱锥衍射光场表达式. 通过模拟不同像散的衍射光斑图和同一像散影响下随轴向距离变化的光强分布图,分析了轴外像散对轴棱锥衍射特性的影响. 提出修正像散的方法并通过实验验证利用可调精密旋转轴棱锥修正轴外像散导致的光束畸变,理论分析和实验结果相符合,研究结果使轴棱锥的应用更加广泛. 关键词： 像散 贝塞尔光 轴棱锥 光束畸变