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.     

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.     

Bessel光束纵向特性及参量的影响

利用数值计算研究了Ｂｅｓｓｅｌ光束的纵向特性及参量对其的影响，发现在光强达到最大值Ⅰｍａｘ后，先迅速衰减但是并不趋于零，而后缓慢减小；光强的衰减速度，决定于β的大小，而光强的振荡性同时与β和Ｒ有关。只有当β→０和Ｒ→∞同时被满足时，才能实现理想无衍射光束。     

数值法研究光的圆孔衍射实验现象

在平行平面波近似的情况下,数值法求解菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,得到平行平面光波通过圆孔衍射后的光强分布图.通过对纵向及横向光强分布图的数值分析,验证了轴上点光强由菲涅耳数决定,菲涅耳数大于1时为菲涅耳衍射区,菲涅耳数小于1时为夫琅禾费衍射区.在近场,光强分布为明暗相间的环形条纹;在远场,光束演化成束腰位置在圆孔处的高斯光束,仿真结果与理论和实验结果基本一致.本仿真结果将光衍射的抽象理论直观化、可视化.     

“四分之一光强”结论的实验验证

在菲涅耳圆孔衍射(图1)中,根据圆形菲涅耳半波带的划分,可知没有遮蔽的整个波阵面在P_0点引起的光强只有使圆孔露出第一个半波带的那一小部分波阵面在同一点引起光强的四分之一。笔者对此“四分之一光强”的结论作了实验验证。该实验的主要方法是,设计一个能露出第一个半波带的菲涅耳圆孔衍射系统,以线性光电探头测出被测点光强引起的光电流,再与     

聚焦高阶Bessel-Gauss光束重建的理论和实验研究

提出利用薄透镜元件对聚焦后的高阶Bessel-Gauss光束进行重建. 基于衍射理论, 分析了高阶Bessel-Gauss光束聚焦后的重建行为, 数值模拟高阶Bessel-Gauss光束经薄透镜聚焦再通过另一薄透镜重建的三维光场分布和截面光强分布图. 结果表明, 高阶Bessel-Gauss光束经单个薄透镜后产生中空的局域空心光束, 在焦点位置处为圆环, 尔后迅速发散; 在焦点后合适位置处放入另一薄透镜可矫正焦点后发散的光束, 使得其后光场不变, 仍满足Bessel分布; 实验结果与理论分析相符合. 研究结果对光镊、粒子捕获与操控具有一定的指导意义. 关键词： 衍射理论 传输矩阵 高阶Bessel-Gauss光束 重建     

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.     

拉盖尔高斯光的衍射和轨道角动量的弥散

根据菲涅耳衍射积分和拉盖尔高斯光束场强分布,对拉盖高斯光束中的圆孔衍射、单缝衍射和方孔衍射进行了研究,并分析了拉盖高斯光束的相位结构对光束衍射后场分布的影响。拉盖高斯光束的相位奇点落在衍射孔中心时,由螺旋谱计算出拉盖高斯光束通过单缝和方孔衍射后的轨道角动量的弥散程度,从理论上证明了拉盖尔高斯光束通过圆孔衍射后,轨道角动量不发生弥散。     

像散厄米-高斯光束的对称化和相关问题的研究

 从比较两种对称化光学系统出发，使用三柱透镜对称化光学系统对像散厄米高斯光束作了详细分析，研究表明：对称化光学系统的作用是将像散光束变换为对称化实宗量光束；并消去xy耦合项。这样，当光束继续在自由空间传输时，能保持其形状不变。然而，有xy耦合项的对称化复光束却不具有这种传输不变性。     

双焦透镜对Bessel光束传输的影响

研究非轴对称象散光学元件双焦透镜对无衍射Bemel光束的聚焦特性.基于空间域中的广义惠更斯.菲涅耳衍射理论衍射积分,用4×4阶矩阵来描述非轴对称光学系统,导出Bessel光通过双焦透镜更为普遍和广义的光强分布表达式,并对其光强进行数值模拟.分析双焦透镜在x,y面上的焦距取不同值时对Bessel光的影响.导出的广义光强分布表达式包括了普通透镜、双焦透镜和柱透镜的所有情况.研究发现,当象散越大,图形畸变程度越大,导致得到的光学bottle beam的光束质量下降,bottle壁变形,囚禁微观粒子的能力也随之下降.     

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．     

像散椭圆高斯光束的M2因子矩阵的理论与实验研究

对像散椭圆高斯光束, 传统的M²因子测量采用M_x²和M_y²来描述光束质量. 当光束绕z轴旋转, M_x²和M_y²会随之变化, 单纯采用M_x²和M_y²来评价激光光束质量并不唯一. 为此采用了像散椭圆高斯光束的M²因子矩阵, 理论推导出了在同一坐标系下光场绕z轴旋转不同角度后的M²因子矩阵, 找出了光场旋转前后的M²因子矩阵元的不变量关系. 数值模拟、 实验测量得到M²因子矩阵主对角元随光斑旋转角度的变化轨迹曲线, 及反对角元随旋转角度的变化规律. 理论推导与实验结果相符. 结果表明, 像散椭圆高斯光束在主方向上时M_x²与M_y²之和最小; 在其他方向上的M_x², M_y²之和大于在主方向上的M_x², M_y²之和; 反对角元随旋转角度呈周期变化, 在主方向上为零. 关键词： M²因子矩阵')" href="#">M²因子矩阵 像散椭圆高斯光束 实验测量 矩阵光学     

Propagation and transformation of Bessel beam through the fractional Fourier transform system with two hard-edged apertures

The propagation properties of Bessel beam is a meaningful research. In this paper, based on the expanding the hard-edged circular aperture as a finite sum of complex Gaussian functions and the scalar diffraction theory, an approximate analytical solution for Bessel beam propagating through a fractional Fourier transform system is derived in the cylindrical coordinates. Then, the detailed numerical calculation for Bessel beam is presented. The simulation also shows that the beam parameter and the order of fractional Fourier transform result in the change of field distribution, including location, intensity and width.     

像散光束的光束参数与光强二阶矩的关系

采用光束的二阶强度矩的方法讨论三维像散光束的光束特性。通过计算像散光束在自由空间、球面光学系统中的传输特性以及坐标系旋转时的变换特性 ,给出了光束的束腰位置、束腰半径、瑞利长度、有效波面曲率半径、近场和远场的方位角、光束的光束参数积等参数与光强二阶矩之间的关系。     

贝塞尔光束与激光打孔

当高斯激光束用于打小孔时，焦深很小。截断的贝塞尔光束的主极大具有很长的焦深，可降低调焦精度，用于打小孔时优于高斯光束，但是分析表明两者的成孔质量和所能实现的深径比差不多。本文通过计算指出环状分布的光束经透镜后可在焦平面产生适用于激光打孔的贝塞尔－高斯光束，这是一种高效、简单实用的方法。     

A Bessel beam laser Doppler velocimeter

We present a laser Doppler velocimeter that is based on the use of two intersecting Bessel beams instead of the conventionally used Gaussian beams. Due to the quasi non-divergent nature of the Bessel beams, a short effective measurement volume of about 40 μm length could be realized with a low fringe spacing variation of 0.3%. Both of these advantageous values were experimentally verified in flow measurements.     

Generalization and propagation of spiraling Bessel beams with a helical axicon

A generalized type of spiral Bessel beam has been demonstrated by using a spatially displaced helical axicon (HA).The topological charge of the spiraling Bessel beams is determined by the order of the input Laguerre-Gaussian (LG) beam and the topological charge of the HA.The obtained spiraling Bessel beams have an LG type of modulation along their propagation direction and exhibit annihilation-reconstruction properties.Theoretical analysis is presented,including that of the stability,propagation distance,topological charge,and spiraling dynamic characteristics.The mathematical and numerical results show that the propagation distance and helical revolution of the spiraling Bessel beams can be controlled through choosing appropriate radius of the HA.     

Generalization and propagation of spiraling Bessel beams with a helical axicon

A generalized type of spiral Bessel beam has been demonstrated by using a spatially displaced helical axicon (HA). The topological charge of the spiraling Bessel beams is determined by the order of the input Laguerre-Gaussian (LG) beam and the topological charge of the HA. The obtained spiraling Bessel beams have an LG type of modulation along their propagation direction and exhibit annihilation-reconstruction properties. Theoretical analysis is presented, including that of the stability, propagation distance, topological charge, and spiraling dynamic characteristics. The mathematical and numerical results show that the propagation distance and helical revolution of the spiraling Bessel beams can be controlled through choosing appropriate radius of the HA.