无衍射 Mathieu光束自重建特性的理论和实验研究

首次对无衍射Mathieu光束的自重建特性进行理论和实验研究, 利用Mathieu-Hankel波理论分析了Mathieu光束的自重建机理. 基于菲涅尔衍射积分理论, 推导出了高斯吸收型圆形障碍物部分遮挡后的Mathieu光场重建后的解析表达式, 并数值模拟了无衍射Mathieu光束的经圆形障碍物部分遮挡后光场的自重建过程. 采用柱透镜-轴棱锥组合光学系统产生近似零阶无衍射Mathieu光束, 实验分别验证了轴上和轴外障碍物遮挡时近似零阶无衍射Mathieu光束的自重建特性. 理论模拟与实验结果相符.     

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。     

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.     

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     

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.     

非稳腔主动式直接获取纳秒近似无衍射贝塞尔绿光

通过对基于轴棱锥的贝塞尔谐振腔和贝塞尔-高斯谐振腔的研究,设计了一台腔内倍频Nd:YAG纳秒近似无衍射贝塞尔绿光激光器. 非稳激光器谐振腔由轴棱锥和凸面镜组成. 实验采用单灯脉冲抽运激光增益介质Nd:YAG晶体,倍频晶体选用KTP. 当抽运电压为350 V时,由主动式直接产生纳秒近似零阶贝塞尔绿光,其脉冲宽度为55.1 ns,波长为532 nm,线宽为0.8 nm,近似无衍射零阶贝塞尔绿光的中心光斑直径为192 μm. 利用Fresnel-Kirchhoff 衍射积分和Fox-Li迭代法,通过数值计算得出 关键词： 主动式 纳秒贝塞尔光束 腔内倍频 轴棱锥     

部分相干光产生无衍射Mathieu光束

基于傅里叶变换下的菲涅尔衍射理论,对部分相干光产生Mathieu光束进行了理论和实验研究,并利用抽样理论和色散公式推导出Mathieu光束的光强分布表达式.数值模拟了不同传播距离处Mathieu光束的截面光强分布,并设计了实验对模拟结论进行验证.实验采用多波长蓝光LED为光源,利用带有椭圆形孔径的菲林片及轴棱锥得到Mathieu光束.模拟和实验结果均证明部分相干光可以产生Mathieu光束.研究结果对拓展Mathieu光束的应用范围提供了理论依据.     

不同轴棱锥的光传输特性

山衍射理论和干涉理论及其几何光学系统地研究几种不同轴棱锥的光传输特性.分别对传统轴棱锥、开诺全息型轴棱锥、椭圆轴棱锥和梯度轴棱锥的特性进行相关的模拟分析.结果表明,开诺全息型轴棱锥可以得到传输距离更长的无衍射光束,椭圆轴棱锥可以把斜入射光束转换成无衍射光束,而梯度轴棱锥可以把入射光束直接转换成应用更为广泛的空心光束.     

无衍射光经望远镜系统的变换

对于轴锥镜透镜产生的无衍射光，它的中心光斑半径和无衍射距离是固定的，一旦应用中要求新的光束参数，则只能再制造一个新的轴锥镜透镜。本语文提出了种用普通球面透镜望远为改变无衍射光束参数的新方法，该方法是基于无射光和环光源之间的透镜变换关系。无衍射光首先被望远系统的第一块透镜变换为一个环光源，第二块不同焦距的透镜再将该环光源变换为一个不同参数的新无衍射光。新的光束参数由两个透的焦距比值决定 。     

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。     

Generation of dark hollow beam by use of phase-only filtering

A simple but effective scheme to generate dark hollow beams is proposed by use of phase-only filtering and optical Fourier transform. A Gaussian beam of fundamental mode is modulated by a pre-designed phase mask, which is a piecewise modification of an axicon lens, and followed by a Fourier transform to generate an ideal dark hollow beam at the focal plane. This method has an advantage that the total energy of the beam is conserved under paraxial approximation. Numerical calculations are provided to show the validity of the proposed scheme.     

像散椭球高斯光束的理论分析与实验模拟

从理论上讨论了具有简单像散特必的椭 图 束的处理方法,在实验中利用两个正交的柱透镜模拟球面双轴透镜对半导体激光器的输出光束进行变换,得较为理想的结果,即把椭圆高斯光束自理为近似圆高斯光束。     

部分相干光束照射的透镜轴棱锥获得均匀焦线

从部分相干光的交叉谱密度函数传输公式出发,推导了高斯谢尔模型(GSM)光束被球差透镜衍射后轴上光强分布的解析公式,并进行了数值模拟和物理分析。结果表明,具有一定束腰宽度和空间相干度的GSM光束经过负球差透镜聚焦后,可以获得轴上光强的均匀分布。通过改变GSM光束的束腰宽度和空间相干度来实现轴上光强均匀分布的方法很简单,转换效率高。     

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。