随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中的传输特性

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式得到了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输的交叉谱密度矩阵的一般表达式,通过数值计算主要研究了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输时其在远场输出面的统计特性的变化,包括归一化光谱强度、光谱偏振度、两点的光谱相干度等.数值模拟结果显示海洋湍流能够对随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束的归一化光谱强度分布产生影响,随着传输距离的增加,零阶Bessel-Gaussian光束中心出现凹陷,高阶Bessel-Gaussian光束中心会变平坦继而又凹陷下去,不管零阶还是高阶,当传输距离增加到足够远,光强分布都会演变成最终的类高斯分布.x轴上各点的偏振度改变与相干长度δ_(xx),δ_(yy)以及海洋湍流参数有关.x轴上任意一点和原点这两点的光谱相干度也随x的增加而呈振荡变化,并且海洋的均方温度耗散率χT对光谱相干度有影响.

柱透镜聚焦高阶Bessel光束产生焦散光束

研究了高阶Bessel光束经过柱透镜后的光场分布特性.在广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论基础上,推导出高阶Bessel光束透过柱透镜后的衍射光场分布表达式;并利用MATLAB和MATHCAD模拟了不同传播距离处的光强分布.实验上,利用轴棱锥和螺旋相位板产生不同阶数的高阶Bessel光束,并使产生的高阶Bessel光束经过柱透镜,最后用CCD记录下不同距离处的衍射光场.研究结果表明,高阶Bessel光束经过柱透镜形成唇状的焦散光束.

无衍射光束理论与实现

无衍射光束具有中心光斑直径小且传播距离远的特点。将其应用于光学精密测量可以解决许多传统光学无法解决的难题。本文给出零阶及高阶贝塞耳无衍射光束理论及实现方法，并给出各种实现方法的比较及无衍射光束的应用范围。

变形高阶贝塞尔光束的传播和自成像效应

从产生高阶贝塞尔光束的典型光路着手,通过将高阶贝塞尔光束分解为高阶贝塞尔余弦光束和高阶贝塞尔正弦光束,利用柱坐标下的Collins公式,分析了变形高阶贝塞尔光束的解析表达式和在自聚焦透镜中的传播。得到了变形高阶贝塞尔光束的一般解析表达式,自由空间的自成像过程,和在自聚焦透镜中传播的特点以及它们在高阶贝塞尔余弦光束和高阶贝塞尔正弦光束波数横向分量差异为0.005 K时的数值模拟。结果证实了变形高阶贝塞尔光束具有无衍射特性及自成像效应。

高阶贝塞尔-高斯光束通过圆环形硬边光阑的传输特性

文中通过把环形光阑函数展开为复高斯函数的方法,推导出了高阶贝塞尔-高斯光束通过环形光阑的传输近似解析公式,并对高阶贝塞尔-高斯光束通过圆环形硬边光阑的传输特性进行了研究,分析了不同内外半径下的光阑对输出光束的影响。分析结果表明,衍射特性与光阑宽度、光阑内径等因素有关,当光阑内径和光阑宽度取值适中时,会出现衍射光强相等的两个峰。

高阶贝塞尔光束的Z扫描理论

以菲涅耳-基尔霍夫衍射理论为基础,研究高阶贝塞尔光束穿过非线性光学介质的衍射效应,从而解释高阶贝塞尔光束的Z扫描现象.通过对使用高斯光束、零阶贝塞尔光束、一阶贝塞尔光束、二阶贝塞尔光束和三阶贝塞尔光束的归一化Z扫描曲线对比,表明使用高阶贝塞尔光束较使用零阶贝塞尔光束的Z扫描具有更高的灵敏度.高阶贝塞尔光束的Z扫描为测量介质非线性光学系数提供了一种更为精确的测量方法.

大气斜程传输中高阶贝塞尔高斯光束轨道角动量的研究

大气湍流引起大气折射率随机变化,导致空间不均匀性。高阶贝塞尔光束在大气湍流中传输时,空间不均匀性会使光子波函数改变,形成不同的光子态引起轨道角动量的弥散。在Rytov近似下,计算了高阶贝塞尔光束在大气斜程传输中各分量所占光束总能量的权重。讨论并对比折射率结构常数,光束波长,天顶角,轨道角动量数,接收孔径和光斑大小等参数对螺旋谱的影响,并给予相应的物理解释。结果表明:随着折射率结构常数,天顶角和传输距离的增加以及光束波长的减小,螺旋谐波主分量对应的谱减小,轨道角动量弥散越大,而且望远镜接收孔径和光斑大小对轨道角动量弥散的影响非常小。

球差对圆偏涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用理查德-沃耳夫矢量衍射积分,分析了初级球差对圆偏振涡旋贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响,获得不同球差系数下的光强分布.结果表明,当初级球差系数增加,会聚光点偏离系统焦平面,纵向光场发生改变;焦点光强逐渐减小,焦平面光场发生变化;光轴上光强峰值逐渐减小,峰值两侧的旁瓣变化趋势相反,光强由对称分布变成非对称分布;初级球差对贝塞耳-高斯光束聚焦光场的影响不依赖其偏振态;离焦无法完全补偿初级球差对聚焦光场的影响.

彗差对线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

利用Richards-Wolf矢量衍射积分公式,获得线偏振贝塞耳-高斯光束经具有初级彗差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场复振幅函数,根据复振幅函数模拟了不同彗差系数下线偏振贝塞耳-高斯光束各分量及总光场在焦平面上的光强分布模式。研究结果表明,初级彗差使线偏振贝塞耳-高斯光束聚焦光场在焦平面的分布由双轴对称变成单轴对称,光强模式发生改变;各分量及总光场的光强模式中的光斑位置随初级彗差系数的增大偏离光轴;大的初级彗差使焦平面出现干涉条纹。

体视显微镜与CCD成像系统在高阶贝塞尔光束光斑测量中的应用

主要对光学测量仪器体视显微镜与CCD成像系统在高阶贝塞尔光束光斑测量中的应用进行分析,通过以非相干LED绿光经过螺旋相位板和轴棱锥产生的高阶贝塞尔(Bessel)光束为例,模拟出沿轴向不同距离处的截面光强分布图,并与相应的实验参数(如:最大无衍射距离、中心暗斑直径等)进行比较。实验结果表明,体视显微镜与CCD成像系统的测量结果相吻合,但是体视显微镜测量误差较大会影响测量结果的准确度。

微粒在涡旋光场高阶贝赛尔光束中的受力分析

根据涡旋光场高阶贝赛尔光束表达式，推导出了微粒在此光束中所受轴向力的表达式并进行了计算．分别研究了在贝塞尔光束中，高折射率微粒与低折射率微粒所受轴向力与粒子半径、折射率、光束波长、束腰半径之间的关系．数值结果表明该光束不仅可以捕获高折射率微粒，也可以捕获低折射率微粒．

纯相位型轴锥透镜的衍射光学元件设计

基于空间光调制器利用Gerchberg-Saxton算法设计了一种衍射光学元件-轴锥透镜。首先,基于惠更斯-菲涅尔原理,利用G-S迭代算法设计出轴锥透镜的掩模相位图;然后,写入空间光调制器作为全息衍射体;最后,数值仿真和实验进行对比分析。结果显示:与实际轴锥透镜相比,设计的轴锥透镜衍射元件可产生性能相同的贝塞尔光束;并且验证了其具有可在线实时修改元件参数的优点。因此,该方法可应用于阵列化、集成化以及拥有复杂轮廓的光学元件设计领域。

高阶贝塞尔光束相干合束特性分析

为了分析了高阶贝塞尔空心光束的合束特性,比较了不同阵列排布、不同阶数的高阶贝塞尔光束相干和非相干合成时的光强分布,结果表明:当光束在P=1,Q=8的径向排列条件下,贝塞尔光束的阶数N为5~8时,合成光束为类高斯光束;N为9~20时,合成为类贝塞尔光束,光束半径随N增大线性增加。当贝塞尔光束的阶数为12时,随着阵列半径R(0~0.075 m)的增加,合成光束先为类贝塞尔光束,然后为类高斯光束,且类贝塞尔光束半径随R的增大线性下降。这些结果可为空心光束的相干合成提供有益参考。

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.

超快贝塞尔光束在硫化锌晶体表面制备纳米孔

硫化锌(ZnS)晶体是重要的宽光谱红外窗口材料,高深径比纳米孔的超快激光制造技术为中红外波导傅立叶变换光谱仪等光子器件的实现提供了重要的技术途径。本文采用中心波长为1030 nm、重复频率为100 kHz、脉冲宽度为223 fs~20 ps可调的Yb:KGW激光光源,用石英锥镜产生高斯-贝塞尔光束,并用4f系统构建了40倍缩束的超快激光直写系统。在能量为36~63μJ,脉宽为12.5~20 ps的情况下,在ZnS晶体上成功刻写了直径为80~320 nm的纳米孔结构。通过聚焦离子束(FIB)剥蚀和扫描电子显微镜(SEM)成像确定了纳米孔隙表面形貌、直径及深度信息。研究了激光脉冲能量、脉冲宽度对纳米孔隙的影响。结果表明,在20 ps脉冲宽度、48μJ脉冲能量的激光参数下,纳米孔隙的深度约为270μm。

绿光LED产生高阶Bessel光的自再现

基于Hankel波理论分析了非相干光源产生高阶Bessel光束的自再现的可能性,利用交叉谱密度公式模拟了非相干绿光LED光源产生的一阶Bessel光束经过轴上圆形障碍物后的自再现光场分布,实验上通过由绿光LED发出的光场经过螺旋相位板和轴棱锥后产生一阶Bessel光束,并在光轴上放置圆形障碍物、方形障碍物来验证非相干光源产生的高阶Bessel光束的自再现特性,实验结果和理论模拟基本吻合,研究结果对于利用非相干光源实现多点光捕获和微粒操控有重要参考价值.

非相干LED光源产生高阶Bessel光束

首次采用单色LED绿光光源得到较理想的高阶Bessel光束,提出由交叉谱密度和多波长叠加理论计算出绿光LED发出的光经过螺旋相位板和轴棱锥后的光强分布,模拟出沿轴向不同距离处的截面光强分布图,设计一套实验装置进行实验验证,结果表明:通过光阑提高光场的空间相干性可以用绿光LED得到近似高阶Bessel光束,所得光束的截面光强分布,中心暗斑大小及最大无衍射距离均与理论计算相符.研究结果对非相干光实现粒子微操作提供理论和实验依据.

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.

基于飞秒激光加工的高阈值高阶贝塞尔光束产生器件

高阶贝塞尔光束能够携带轨道角动量,且具有无衍射特性,在粒子操控、激光微纳加工及非线性光学等领域具有重要应用价值。目前产生高阶贝塞尔光束的方式无法同时满足集成化和高功率场景的应用需求。基于飞秒激光诱导的双折射纳米光栅结构,提出一种高损伤阈值的集成化光场调控器件制备方法。通过调控纳米光栅的光轴方向和相位延迟量,在石英玻璃内部写入光轴取向空间变化的多层纳米光栅结构,制备的器件可以实现不同光场调控功能的叠加和不同工作波长的设计。基于所提方法制备了中心波长为532 nm、拓扑荷值为4的高阶贝塞尔光束产生器件。器件产生的高阶贝塞尔光束携带的轨道角动量与设计值相符,在4 m距离内光斑大小保持基本不变。器件的零几率激光损伤阈值为28.5 J/cm^(2)(6 ns),在高功率激光光束整形等领域具有极大的应用潜力。

涡旋光束经过轴棱锥后的聚焦特性

研究了涡旋光束通过轴棱锥聚焦后的聚焦特性。利用惠更斯-菲涅耳衍射积分理论推导了涡旋光束经过轴棱锥聚焦后所获得的聚焦光强分布。数值模拟结果表明,涡旋光束经过轴棱锥聚焦后可获得高阶贝塞尔光束。研究了不同锥角的轴棱锥对涡旋光束聚焦特性的影响以及不同拓扑电荷数对聚焦特性的影响。结果表明,在轴棱锥对应的最大准直距离内,所获得的高阶贝塞尔光束保持了原有的无衍射特性。