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.     

径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的模拟研究

基于交叉谱密度函数以及相干偏振统一理论,导出径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性.通过理论分析和数值计算可知,径向偏振部分相干螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,光束以固定的螺旋半径进行螺旋传输.且在传输过程中,光束逐渐由螺旋空心光束演变为螺旋高斯光束,这一过程所需的传输距离与相干长度有关.该光束的偏振角和偏振度都会受到螺旋半径和传输距离的影响,同时,相干长度的变化也会影响偏振度的分布.而相干长度,传输距离和螺旋半径的改变并不会影响光束的偏振椭圆率的分布.     

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.     

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.     

径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的传输及其偏振特性

理论和实验研究了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在自由空间传输的光强分布和偏振特性.数值计算表明,在无衍射区域,随着传输距离的增加,光强分布基本保持不变;对于零阶光束,其偏振态一直保持径向偏振不变;对于高阶光束,其偏振态发生变化,由初始的径向偏振逐渐变为椭圆偏振和线偏振的杂化状态.实验上,利用径向偏振转换器、螺旋相位板和轴棱锥元件产生了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束,探测了其通过不同偏振片后的光强分布.实验结果与理论结果基本相符合.该研究也提供了一种产生杂化偏振矢量光束的方法.     

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．     

螺旋轴棱锥的光束传输特性

 分析了螺旋轴棱锥的结构和光传输特性,基于衍射积分理论研究了发散球面波和拉盖尔-高斯光束经螺旋轴棱锥后的传输过程。研究表明,发散球面波经过螺旋轴棱锥后产生贝塞尔光束,其阶数与拓扑电荷数相同,但中心光斑（空心光斑）半径随传输距离的增加而变大;拉盖尔-高斯光束入射后同样产生贝塞尔光束,但其阶数变为拉盖尔-高斯光束和螺旋轴棱锥的拓扑电荷数之和,出射光束的拓扑电荷数与阶数相等。     

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     

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     

离轴径向偏振光束及其传输特性

基于Wolf近轴传输理论, 导出离轴径向偏振光束光强的解析表达式, 并研究离轴量对离轴径向偏振光束传输中光强分布的影响, 同时根据一阶矩质心位置的定义推导出离轴径向偏振光束的质心坐标, 研究其质心位置的变化规律. 结果表明, 与径向偏振光束不同, 离轴径向偏振光束在近场处传输时光强分布不均匀, 随着传输距离的增加, 光强分布均匀性逐渐得到改善, 而径向偏振光束在传输中始终保持空心对称光斑. 离轴量较小时, 近场处光强分布呈非对称空心面包圈形, 随着传输距离增达到一定程度, 光强分布演化为对称空心面包圈形, 离轴量越小, 演变距离越短; 离轴量较大时, 随着光束的传输离轴径向偏振光束的空心部分消失, 逐渐由空心面包圈形向高斯型演变, 径向偏振光束特性消失. 另一方面, 离轴径向偏振光束的质心不随传输距离的改变而改变. 质心纵坐标恒为零, 质心横坐标与光斑尺寸及离轴量相关. 随着光斑尺寸增大, 质心横坐标成线性增长. 当离轴量较小时, 质心横坐标随离轴量的增大呈非线性增长, 增长量不明显; 离轴量较大时, 质心横坐标随离轴量的增大呈线性增长, 且变化明显.     

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     

环形障碍物-轴棱锥产生局域空心光束

提出一种产生局域空心光束(bottle beam)的新方法,它是在传统的轴棱锥底面上放置一个环形障碍物.平面波入射到带有环形障碍物的轴棱锥底面时,将在轴棱锥产生的最大无衍射距离内形成bottle beam,而在bottle beam的前后仍然保持无衍射贝塞尔光.通过变化障碍物大小及轴棱锥底角实现bottle beam尺寸的控制.利用衍射理论描述了平面波经带有环形障碍物的轴棱锥产生bottle beam的原理,分析和模拟了传输过程中不同位置的截面光强分布及整个过程的三维光强分布,并给出相关的实验结果.研究结果对bottlebeam的实际应用具有积极的意义.     

类贝塞尔脉冲光束传输中的空间诱导色散效应

利用空间诱导色散概念,从理论上研究了等束腰宽度的类贝塞尔脉冲光束在自由空间中传输性质.在一阶近似的情况下,类贝塞尔脉冲光束的空间和时间部分可以做分离变量,空间部分在传输过程中保持类贝塞尔光束传输的特性,而时间波形部分的传输遵循空间诱导色散理论.利用数值模拟方法模拟了 Bessel-Gauss 脉冲光束和elegant Laguerre-Gauss脉冲光束的传输.结果证实,只要传输距离小于类贝塞尔光束的无衍射距离,空间诱导群速度色散理论能够很好地描述类贝塞尔脉冲光束脉冲形状的演化过程.     

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——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.     

自加速类贝塞尔-厄米-高斯光束的理论和实验研究

空间相位调制一直是设计新型自加速光束的重要方法.参照类贝塞尔光束产生的思路,从理论上提出了一种新型的自加速无衍射类贝塞尔-厄米-高斯光束,并从数值模拟和实验两个方面研究此光束沿不同轨道的演化.理论上通过对厄米-高斯光束进行相位调制,产生了不同模式的自加速类贝塞尔-厄米-高斯光束.采用分步傅里叶算法模拟了(0,1),(1,0),(1,1)和(1,2)阶类贝塞尔-厄米-高斯光束沿预设轨道的传输过程.采用计算全息和空间光调制技术在实验中观察了类贝塞尔-厄米-高斯光束沿预设轨道的传输,例如抛物、双曲、双曲正割和三维轨道.实验观察与理论结果符合得很好.实验验证了不同阶类贝塞尔-厄米-高斯光束的奇特光斑结构,验证了光束的非衍射特性及传输轨道的可控性,且理论模拟验证了光束的自修复特性.作为此前研究的类贝塞尔光束的一般形式,本文所得到的光束可用于构造出更加新型实用的光束.     

离轴拉盖尔-高斯涡旋光束传输中的光斑演变

在产生涡旋光束过程中, 固体激光器所输出的光束中心 很难与螺旋相位板的中心完全对准, 实际出射的光束为离轴涡旋光束. 在衍射理论的基础上, 对离轴涡旋光束的传输进行了研究, 推导了离轴涡旋光束传输一段距离后电场和光强的解析表达式.研究表明, 与理想的涡旋光束不同, 离轴涡旋光束具有非对称性的光强分布, 在传输过程中光斑除了展宽外, 涡旋暗核还会发生移动. 拓扑电荷数的大小只影响到光束的展宽, 拓扑电荷数为正时, 暗核沿着逆时针切线方向移动; 拓扑电荷数为负时, 暗核沿着顺时针的切线方向移动, 该结果对长距离探测涡旋光束的对准问题起到指导作用.     

一种含时贝塞尔光束的理论性质研究

本文从理论角度提出了一种"含时贝塞尔光束"的概念.在非傍轴和非时谐条件下,直接从麦克斯韦方程出发,借鉴半贝塞尔光束的处理方法,同时引入第四维虚数坐标,由此获得了完整的"含时贝塞尔光束"的解析表达式.并从无衍射性质和时空特性两个方面对其进行了探讨和研究,发现该光束具有如下性质:符合贝塞尔光束类型的无衍射特征;在时空双曲线上强度保持不变;光波时空特性的临界条件类似于相对论中的光锥."含时贝塞尔光束"的概念为无衍射自加速光束的研究开拓了新的思路和方向.     

部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性

根据光束的相干-偏振矩阵和传输理论,对部分相干平顶光束经正多边形光阑衍射的偏振特性进行了系统的研究.给出了部分相干平顶光束偏振度传输公式,并将高斯-谢尔模型光束以及部分相干平顶光束在自由空间传输的偏振度作为特例统一于一般表达式中.研究表明：部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性与光阑截断参数、光束的空间相干性、衍射角、传输距离、平顶光束的阶数有关. 关键词： 部分相干平顶光束 偏振特性 相干-偏振矩阵 正多边形光阑 光阑衍射