基于轴棱锥用主被动方式产生短脉冲高功率近似无衍射光

利用轴棱锥构成的Bessel-Gauss谐振腔,首次由灯泵Nd:YAG调Q激光器主动式直接输出纳秒高功率近似无衍射Bessel-Gauss光脉冲。应用衍射理论给出的Bessel-Gauss场分布模型对结果进行分析,数值模拟和实验结果基本吻合。同时利用带抗共振环(ARR)的Nd:YAG调Q激光器输出的高稳定纳秒高斯脉冲,通过Axicon的光束整形,由被动方式获得近似理想的纳秒无衍射零阶Bessel光。利用胶片扫描法记录了光强分布的精细结构,测定得出无衍射光的中心光斑半径约为90μm,峰值功率密度高达2.3×109W/cm2。分析比较了主动和被动方式产生纳秒无衍射光的特性和优缺点。

新型组合正轴棱锥产生局域空心光束

提出了一种产生局域空心光束(Bottle beam)的新型光学元件,此元件由两个底面半径不等的正轴棱锥胶合而成,具有结构简单、容易加工等优点。研究了其沿径向分布不同部分光线的ABCD传输矩阵,通过几何光学分析了其产生Bottle beam的原理,数值模拟了平面波通过此新型光学元件后的纵向光场分布和沿轴向不同距离处的二维光斑图。为产生Bottle beam提出了一种新方法,对Bottle beam在光镊、光捕获等方面的应用有较好的指导意义。

圆顶轴棱锥底角及焦距对局域空心光束的影响

从衍射理论导出圆顶轴棱锥后的光场分布,用软件对圆顶轴棱锥后的光强进行仿真,结果表明,圆顶轴棱锥可以得到多个局域空心光束。分别改变圆顶轴棱锥的底角和顶端平凸透镜的焦距,再用软件对圆顶轴棱锥后的光强进行仿真,所得光强分布表明,圆顶轴棱锥的底角影响局域空心光束的周期和暗域数量,而顶端平凸透镜的焦距主要影响局域空心光束中暗域的数量,对周期几乎没有影响。在实际应用中可通过调节参量得到所需要局域空心光束。

轴棱锥光学系统对激光束的变换及应用

本文对轴棱锥系统对激光束的变换特性作了详细分析。结果表明，本文提出的新型轴棱锥光学系统具有某些实际应用价值。

轴棱锥顶点加工误差的修正

由菲涅耳衍射理论出发,分析了轴棱锥顶点加工精度对光束传输特性的影响。分析指出,当轴棱锥顶点加工成圆形时,它相当于一个平凸镜,对光束起点聚焦作用;而真实加工成的轴棱锥更贴近双曲线顶点模型,这时衍射光束因为干涉效应产生强烈振荡,形成畸变无衍射光束。理论推导了不同顶点加工轴棱锥的衍射光场表达式,模拟分析了光束传输变换特性,最后针对双曲线顶点加工的轴棱锥提出通过遮挡中心入射光线消除顶点由不同频率衍射光束叠加造成的干涉效应的改进方案,修正后的光束特性效果理想,对实际加工的轴棱锥应用具有指导意义。

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.

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。

透镜轴棱锥光学系统设计

利用轴棱锥(Axicon)产生无衍射贝塞尔(Bessel)光具有结构简单、转换效率高、光损伤阈值高等优点,但是由于它是锥体结构,存在加工难度大、成本高等缺点。利用球面透镜的球差设计出具有类似Axicon功能的双透镜系统,即透镜轴棱锥(Lens axicon),它是由两个普通的球面透镜胶合而成的。通过对出射光线的控制,利用光学设计软件的自动优化功能,优化出满足条件的球面曲率半径。利用光线追迹法对所设计的Lens axicon进行追迹模拟,所得的无衍射Bessel光的最大无衍射距离为109 mm,并对不同传输位置的Bessel光横向光强分布进行了分析。实验采用准直扩束后的激光高斯光束垂直入射Lens axicon来获得无衍射Bessel光,利用体视显微镜(可连续放大,最大放大倍数为50倍)和CCD照相机组成的系统对不同位置的截面光斑进行拍摄,实验结果与理论分析及光学仿真结果吻合。由于球面透镜的加工技术成熟、制造成本低,为无衍射Bessel光在实际领域中的应用创造了有利条件。

用于产生Bessel光的广义轴棱锥

分析菲涅尔轴棱锥、二元相位型衍射轴棱锥和透镜轴棱锥等3种广义轴棱锥的相位函数,以及它们与线性轴棱锥和对数轴棱锥两种基本轴棱锥的相位函数关系.研究结果表明:广义轴棱锥的相位函数是两种基本轴棱锥的相位函数演变而来,通过调整广义轴棱锥的结构参数可使它们具有基本轴棱锥的主要光传输特性.菲涅尔轴棱锥不仅拥有基本轴棱锥的光传输特性,且结构紧凑,光吸收损耗小;二元相位型衍射轴棱锥设计自由度大,不仅保证高的衍射效率且光谱特性好;透镜轴棱锥制造简单,成本低,易于进行大尺寸制作.

径向偏振涡旋光束经轴棱锥后的传输特性

通过实验和理论研究了径向偏振涡旋光束经过轴棱锥后的聚焦特性,并根据Collins公式推导了径向偏振涡旋光束经过轴棱锥聚焦后的光强分布,以及相关参数对径向偏振涡旋光束经过轴棱锥聚焦的影响加以实验验证。研究发现,径向偏振涡旋光束经过轴棱锥聚焦后产生无衍射光束,并且当拓扑荷数m=1时,轴向光强不为零。聚焦区域的光强分布随着传输距离z和拓扑荷数改变而改变。可以通过改变拓扑荷数改变捕获粒子的类型。并且研究了m=0与m=1,z=1000mm时的偏振分布,发现拓扑荷数m=1时所得到的无衍射光不再是径向分布,并且相位奇点消失。理论仿真和实验结果一致。这些研究成果对于径向偏振涡旋光束的应用有着重要的意义。

用轴棱锥设计贝塞尔—高斯谐振腔

本文从较直观的角度出发,把贝塞尔光理解为-对趋向于传播轴线和离开轴线的锥形波的叠加,将腔两端的镜面理解为用于改变光场位相的器件,讨论用轴棱锥设计谐振腔以产生贝塞尔光,我们发现在所设计的腔中振荡的光是受钟形函数调制的锥形波,其模式与贝塞尔一高斯光相似。并且我们所得到的结论与福克斯一厉数值迭代法验证的结果是一致的。

锥台和轴棱锥系统产生的尺寸可调局域空心光束

为了解决现有光学系统产生局域空心光束尺寸不易调整的问题,提出了一种由不同底角的锥台和正轴棱锥组合而成的新型光学系统。采用衍射积分和汉克尔波理论对该系统的光束变换特性进行了分析,可知平面波通过新型光学系统后将产生局域空心光束,且通过改变两个光学元件之间的相对位置可以调节局域空心光束的尺寸。在此基础上结合几何光学理论给出局域空心光束相关参量的计算公式;并采用光学分析软件TRACEPRO模拟了新型光学系统中局域空心光束不同位置处的光强分布及其随锥台与正轴棱锥之间距离的变化。结果表明,软件模拟的结果与理论分析的结果基本一致,新型光学系统能够产生尺寸可调的局域空心光束。

理想轴棱锥与圆顶轴棱锥对无衍射光束的聚焦特性

分析圆顶轴棱锥与理想轴棱锥对Bessel光束的聚焦特性.基于广义的惠更斯-菲涅耳衍射积分理论推导出Bessel光经过理想轴棱锥和圆顶轴棱锥后的光强表达式,并对理想轴棱锥与圆顶轴棱锥聚焦的Bessel光束的传输特性进行描述,数值模拟不同截面下的光强分布图和径向光强分布图.研究结果表明:圆顶轴棱锥和理想轴棱锥都可以产生周期性的局域空心光束(Bottle beam),但是相比于理想轴棱锥,圆顶轴棱锥所产生的Bottle beam周期较短,并且中心光强较强,暗斑尺寸较小.

采用轴棱锥检测涡旋光束拓扑电荷数的方法

基于基尔霍夫衍射积分理论,分别推导涡旋光斜入射轴棱锥与凸透镜后的衍射光场表达式.提出一种利用轴棱锥检测光束拓扑电荷数信息的简单可行方案,并将此方案与凸透镜聚焦斜入射涡旋光方案进行对比.研究结果表明:应用轴棱锥聚焦斜入射涡旋光检测拓扑电荷数信息的方式无需对检测点进行严格定标,实际检测工作中该方案更具备灵活性,适用性也更为广泛.通过对设计实验进行验证,实验与理论基本吻合.

产生周期性局域空心光束的新型轴棱锥

周期性局域空心光束是一种在科研上具有较高实用价值的光束。介绍了一种用于产生周期性局域空心光束的新型轴棱锥结构,可以通过在正轴棱锥底部磨削一个与本体同轴,但是底角和尺寸都较小的内凹圆锥面制成。采用几何光学的理论对新型光学元件的光束变换特性进行分析,结果表明其可以等效为两个不同底角的正轴棱锥的组合,并对周期性局域空心光束的相关参数进行计算。用衍射积分理论分析和模拟了新型轴棱锥后的光强分布特性,所得分析结果与几何光学分析基本一致。研究表明,平面波正面入射新型轴棱锥可以产生周期性局域空心光束。

轴棱锥产生局域空心光束的几种新技术

介绍几种基于传统轴棱锥和新型轴棱锥产生局域空心光束的新方法,并基于几何光学、波动光学和矩阵光学理论进行分析和模拟.研究表明:4种方法都可以获得高质量且尺寸可调的局域空心光束,也都利用了轴棱锥高转换效率、高损伤阈值的优点,但在元件集成及加工制造上各有优缺点.

多色高斯光束照射下透镜轴棱锥的聚焦特性

从菲涅耳衍射积分公式出发,推导多色高斯光束被球差透镜衍射后光强分布的解析公式,进行数值模拟和物理分析.结果表明,光谱半宽σ小的多色高斯光束照射透镜轴棱锥时,不同观察面的光强分布均为J20的形式.随观察平面远离透镜轴棱锥,横向光强第1零点半径逐渐增大;但当σ取值较大时,横向光强分布不再是J20的形式,且横向光强的零点不再明显.对于轴上光强而言,多色高斯光束提高轴上光强分布的均匀性.

浸液式组合轴棱锥产生长距离无衍射贝塞尔光束

设计了由负轴棱锥、折射率匹配液、正轴棱锥组成的浸液式组合轴棱锥.理论分析表明:浸液式组合轴棱锥系统与传统轴正棱锥等效,同时可有效提高最大无衍射传输距离;系统产生的最大无衍射距离与负轴棱锥的底角、折射率,匹配液的折射率,正轴棱锥的底角和折射率这五个量有关,极大地增加了系统设计的灵活性,拓展了光学材料的选择范围,降低了光学元件的加工难度.

不同轴棱锥的光传输特性

由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。

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.