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.     

基于轴棱锥产生近似无衍射Mathieu光束的新方法

提出了一种基于轴棱锥产生零阶近似无衍射Mathieu光束的新方法,利用轴棱锥聚焦具有椭圆高斯振幅调制的平面波,得到近似零阶无衍射Mathieu光束.根据椭圆高斯平面波经轴棱锥衍射的衍射积分公式,对光强分布进行了数值模拟,依据几何光学模型计算了近似无衍射Mathieu光束的最大无衍射距离,并设计了实验对理论模拟的结果进行了验证.实验采用柱透镜和准直扩束系统变换圆高斯光束产生具有椭圆高斯振幅调制的平面波,用轴棱锥聚焦该平面波后得到近似无衍射Mathieu光束,实验结果与理论模拟和计算相符.     

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     

径向偏振螺旋贝塞尔光束的传输特性及其自重建

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射理论,导出径向偏振螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性和传输过程中光束偏振态的变化,及其通过扇形障碍物后的自重建特性.理论分析和数值计算发现:径向偏振螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,在一定传输区域内,光束以空心光束的形态绕光轴做离轴螺旋传输,光束的发散角为零并一直保持着径向偏振的特性;在光束的自重建过程中,始终保持离轴螺旋传输特性,随着传输距离的增加,原本在遮挡区域消失的能量,被逐渐衍射至障碍物遮挡区域的相反位置.     

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。     

障碍物后周期性Bottlebeam的自重建

本文分析了由两束贝塞尔（Bessel）光相干产生的周期性局域空心光束（Bottlebeam）遇到障碍物后的自重建特性．由汉克尔波理论分析了自重建的原理,利用衍射积分理论数值模拟了轴上圆形障碍物对光束传输的影响．结果表明,周期性Bottlebeam遇到障碍物遮挡时具有自重建特性,重建后的光束依然保持着障碍物前的光强分布特性．研究结果对于利用周期性Bottlebeam实现微粒的多层面操控具有特殊意义．     

角向偏振无衍射光束的传输特性及其偏振态研究

从理论和实验两个方面研究角向偏振无衍射光束在自由空间和障碍物空间中的传输特性. 理论上模拟了角向偏振无衍射光束在自由空间以及障碍物空间传播过程中的光强分布与偏振态变化情况. 实验中利用高斯光束先通过偏振转换仪, 再入射到轴棱锥上产生角向偏振无衍射光束. 进而研究其在空间中的传输情况, 并通过分析其经过扇形障碍物后光强分布变化情况讨论障碍物对偏振态的影响和光束的自重建特性. 结果表明: 障碍物遮挡区域光强沿z轴方向逐渐恢复, 且阴影区域沿障碍物所在位置的相反方向移动; 光束的偏振态局部发生变化, 该变化与障碍物所在位置有关. 理论仿真和实验结果一致.     

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光束自重建的模拟仿真与实验验证

Bessel光束的重建特性对于粒子多层面操控具有特殊意义. 依据Hankel波理论,分析了无衍射Bessel光束的产生及重建原理, 系统地对轴上圆形障碍物、方形障碍物和离轴圆形障碍 物进行了详细论述.利用光学设计软件ZEMAX对轴棱锥产生Bessel光束经过各 种障碍物的重建现象进行了系统的模拟仿真. 对建立的仿真模型进行实验验 证,实验结果与模拟仿真符合得很好. 结果表明 ZEMAX软件可以对轴棱锥产 生Bessel光束的重建特性进行灵活直观的建模仿真,且仿真结果具有很高的 准确性.     

轴棱锥产生无衍射光束自再现特性的几何光学分析

由几何光学方法分析轴棱锥产生无衍射光束自再现特性,很好地解释了无衍射光束自再现的形成原理.在菲涅耳近似条件下,利用菲涅耳衍射理论可以对光传输进行很好地描述;而光束经过障碍物后的很小距离内,菲涅耳衍射近似条件已不满足,衍射理论不再适合描述光束的传输特性,这时可以利用几何光学分析光束传输特性.首先从几何光学角度对轴棱锥产生无衍射光束的自再现特性进行了详细的描述,并对光束传输进行仿真,最后通过实验验证轴棱锥产生无衍射光束的自再现特性,实验结果与理论分析相符合. 关键词： 无衍射光束 几何光学 轴棱锥 自再现     

Scattering of Mathieu beams by a rigid sphere

Based on the recent results on the scattering of Bessel beams by a sphere and using the Whittaker integral, the scattering by a rigid sphere centred on a Mathieu beam is derived. The scattering field is expressed as a partial wave series involving the scattering angles relative to the beam axis and Mathieu beam parameters. Some numerical calculations are performed and it is shown that the illumination of a rigid sphere by a Mathieu beam produces asymmetrical scattering as a function of scattering angles θ and ?. The geometrical properties of the scattering Mathieu beam are noted.     

Circular partially coherent flattened Gaussian beam

An alternative theoretical model called circular partially coherent flattened Gaussian beam (FGB) is developed to describe a circular partially coherent beam with a flat-topped spatial profile. Explicit expression for the propagation factor of a circular partially coherent FGB is derived. We drive the analytical formulae for the cross-spectral density and mean-squared beam width of a circular partially coherent FGB propagating through a paraxial ABCD optical system based on the generalized Collins formula. The intensity, spreading and directionality properties of a circular partially coherent FGB propagating in free space are studied as numerical examples. The propagation properties of a circular partially coherent FGB agree well with those of a partially coherent flat-topped beam reported in the literature. Thus, our model provides an alternative but reliable model for describing a circular partially coherent beam with flat-topped profile.     

Theory of electromagnetic wave propagation in a longitudinally periodic cylinder

Thinking of photonic crystals, we investigate the theory of electromagnetic wave propagation in a perfectly conducting semi-cylinder endowed with a periodic permittivity along its axis while its circular base is illuminated by an harmonic Bessel beam, symmetric around the cylinder axis. We prove that the Floquet-Bessel expansions of electromagnetic fields whose Floquet parts are solutions of a Mathieu equation. is a suitable tool to handle this kind of problems.     

无衍射光束的产生及其应用

近年来,随着激光技术的快速发展,相继产生了多种在远距离传输后中心光斑保持不变的无衍射光束,包括贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束、马丢光束、高阶马丢光束、余弦光束、抛物线光束以及艾里光束.无衍射光束在激光打孔、激光精密准直、光学精密控制、光学微操控、光通信、等离子体导向、光子弹产生、光通信、自聚焦光束的合成以及非线性光学等领域中有着广泛的应用.本文介绍了各类无衍射光束的数学表达式、产生方法及对应的实验结果;就无衍射光束的特性和应用进行了归纳和讨论;并对其在未来的研究与应用前景中发挥的重要作用进行了简要总结与展望.     

Shaping the beam profile of a partially coherent beam by a phase aperture

By use of a tensor method, an analytical formula for a partially coherent Gaussian Schell-model (GSM) beam truncated by a circular phase aperture propagating through a paraxial ABCD optical system is derived. The propagation properties of a GSM beam truncated by a circular phase aperture in free space are studied numerically. It is found that the circular phase aperture can be used to shape the beam profile of a GSM beam and generate partially coherent dark hollow or flat-topped beam, which is useful in many applications, e.g., optical trapping, free-space optical communication, and material thermal processing. The propagation factor of a GSM beam truncated by a circular phase aperture is also analyzed.     

Light beats the spread: “non‐diffracting” beams

“Non‐diffracting” beams do not spread as they propagate. This property is useful in many areas. Here, the theory, generation, properties, and applications of various “non‐diffracting” beams, including the Bessel beam, Mathieu beam, and Airy beam is reviewed. Applications include imaging, micromanipulation, nonlinear optics, and optical transfection.     

Irradiance from an aperture with a truncated J0 Bessel beam

In this paper we obtain an analytical expression for the intensity pattern associated with a field propagating from a circular aperture with a truncated J₀ Bessel beam distribution. The diffraction integral in the scalar diffraction theory is evaluated in both the far field and the near field and numerical results are presented for the irradiance pattern on the beam axis as well as in the transverse plane. General curves are drawn to show clearly the truncation effects of the aperture on the propagation characteristics of J₀ beams.