Experimental investigation on partially coherent higher-order non-diffractive beams

We experimentally study the generation of a partially coherent non-diffractive beam by focusing a partially coherent vortex beam with an axieon. The investigation results show that when the partially coherent vortex beam is focused by the axicon, the beam is transferred into a partially coherent higher-order non-diffractive beam. In the non-diffractive zone, the transverse intensity distribution of the partially coherent higher-order non-diffractive beam is invariant during propagation. In addition, the range of the non-diffractive zone is related to the coherence of the partially coherent vortex beam. The poorer the coherence of the partially coherent vortex beam, the shorter the range of the non-diffractive zone.

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.

干涉理论对bottle beam的描述

对轴棱锥产生的贝塞尔光聚焦特性的描述,我们提出一种有别于惠更斯-菲涅耳衍射积分理论的解析表达.这种解析表达基于干涉理论的基础,它能够模拟计算出聚焦透镜置于最大准直距离之外以及在聚焦透镜焦平面以后的光束行为,能够更好地描述bottlebeam的形成过程,这些结果用衍射积分理论是得不到的.我们还得到了与Wei用几何光学分析所得出的当z0<f<zmax将产生hollowbeam的不同结论.所有理论计算结果都得到实验的有力验证.

分数阶无衍射光束的实验研究

实验研究了轴棱锥聚焦分数阶涡旋光束获得分数阶贝塞尔光束。研究结果表明:当分数阶涡旋光束通过轴棱锥聚焦后,获得的分数阶贝塞尔光束其横截面上的光强分布具有高阶无衍射贝塞尔光束的特点;在轴棱锥后的最大准直距离内,光斑的形状基本保持不变,即呈现出很好的无衍射传输特性;另外还研究了轴棱锥角度改变对分数阶贝塞尔光束的影响,实验结果表明,轴棱锥的角度越大时,横截面光强图中的中心空心越小。

轴棱锥透镜面形偏差对无衍射光束传播特性的影响

为了探究轴棱锥透镜面形偏差对无衍射光束传播特性的影响,建立了三种相对理想锥镜母线的偏离模型,即母线向内侧凹陷、外侧凸出、顶点呈双曲线分布的轴棱锥透镜.推导了各偏离锥镜的振幅透过率函数,并基于菲涅耳衍射理论对平面波经三种母线偏离锥镜的出射光场及光强分布进行了理论分析与数值模拟.结果表明:锥镜母线内凹时,光场强度变小,焦深延长,纵截面光场逐渐发散,沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变大;锥镜母线外凸时,光场强度激增,焦深变短,纵截面光场逐渐汇聚,沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变小;锥镜顶点呈双曲线分布时,光场振荡加剧,场强和焦深几乎不变,纵截面光场发散后逐渐恢复至均匀分布状.研究结果可为分析轴棱锥透镜锥面加工误差对无衍射光束传播特性的影响、进一步完善无衍射光束衍射场理论,以及拓宽其工程应用范围等提供参考.

离轴障碍物Bessel光束的重建

利用Hankel理论,对障碍物离轴时Bessel光束的重建过程进行了分析。实验中,用体视显微镜及CCD系统记录了Bessel光束经离轴障碍物遮挡后的光强变化。针对Bessel光束被障碍物阻碍后的重建现象,对轴上障碍物及离轴障碍物两种情况进行了比较。结果表明,两种情况的遮挡均能使Bessel光束重建,不同的是对相同尺寸的障碍物离轴障碍物完全重建比轴上障碍物完全重建需要更长的距离。

贝塞耳光束相干产生局域空心光束的实验研究

利用轴棱锥产生的两束贝塞耳光相干实现局域空心光束。基于"相干贝塞耳光产生具有塔尔博特效应的局域空心光束"的理论,数值模拟了两束贝塞耳光干涉后光场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。实验中通过两个不同底角的轴棱锥产生两束具有不同径向波矢的贝塞耳光进行相干形成局域空心光束,实验结果与理论分析及数值模拟相吻合。

相干贝塞尔光产生具有塔尔博特效应的局域空心光束

提出一种由轴棱锥产生的贝塞尔光干涉整形得到具有自成像塔尔博特效应的近似无衍射局域空心光束的新方法。详细分析了两束相干同频率贝塞尔光的相互作用原理及其如何控制局域空心光束的空间尺寸。数值模拟了干涉叠加后光场沿传输距离变化的光强分布及一个完整周期内光强的演变和局域空心光束的形成过程,给出了相干贝塞尔光产生局域空心光束的个数及局域空心光束最大无衍射距离的表达式。

贝塞尔光束和自成像局域空心光束的轴上相位分析

对贝塞尔光束和局域空心光束的轴上相位分布进行分析。用衍射理论分析了理想贝塞尔光束和用轴棱锥产生的贝塞尔光束的光强和相位变化,得知贝塞尔光束在轴上的相位呈周期性的锯齿状分布。由两束理想贝塞尔光束干涉得到的自成像局域空心光束轴上相位分布也呈锯齿状,但在光强为0的位置出现相位奇点。而仿真实验中自成像局域空心光束轴上光强最小位置处由于光强不为0,并没有出现相位奇点。研究结果对于用相位调制法产生暗域光强为0的局域空心光束具有指导意义。

离轴像散对高阶贝塞尔光束的影响

利用螺旋相位板-轴棱锥系统可以产生高阶贝塞尔光束。基于基尔霍夫衍射积分理论,推导了涡旋光斜入射轴棱锥后的衍射光场表达式。分析了光束斜入射引起的像散对轴棱锥聚焦涡旋光产生高阶贝塞尔光束的影响,提出了一种用于检测拓扑电荷数的简单可行的方案。结果表明当轴棱锥出现较小角度的偏转时,所产生的高阶贝塞尔光束出现中心亮环椭圆化;随着偏转角的增加,中心亮环椭圆率增大,并伴有暗核分裂的现象;继续增大偏转角,将发生由内至外的亮环破裂现象,最终形成具有点阵列结构的焦散光束。设计实验对上述结论进行验证,理论分析、数值模拟与实验结果基本吻合。

阶变折射率轴棱锥产生局域空心光束

提出利用折射率成阶跃性变化的轴棱锥产生局域空心光束(bottlebeam).讨论了折射率沿径向成阶跃式减小或增加两种模型,从几何光学角度分析了它们产生bottle beam的原理,利用衍射积分理论数值模拟两种轴棱锥光传输的光场分布和不同距离处的二维光斑图,研究结果表明折射率沿径向阶跃减小的轴棱锥产生单个bottle beam,而折射率沿径向阶跃增加的轴棱锥产生具有周期再现的bottle beams.bottle beam在原子引导和囚禁、光学俘获及光镊等方面有广泛的应用,因此本文的研究对bottlebeam的产生和实际应用具有指导意义.

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。

环形光束产生局域空心光的几何光学分析与实验

提出一种用环形光束产生局域空心光的新方法,即用环形光束垂直入射锥透镜底面,沿光轴方向就会产生局域空心光。用几何光学分析模拟了环形光束产生的局域空心光的过程和传输方向上不同位置的截面光强分布,推导了局域空心光暗域的横向和径向大小的计算式,分析了影响局域空心光暗域的大小的因素,并给出相关的实验结果,实验与理论基本吻合。与双锥透镜、锥透镜-透镜产生局域空心光相比,这种方法结构简单,元件容易加工,具有重要的应用价值。

相关参量对纳秒贝塞尔光脉冲光束传输的影响

在广义的惠更斯-菲涅耳衍射积分理论和稳相法的基础上,研究了纳秒高斯光脉冲通过理想加工和截面成椭圆的轴棱锥后最大无衍射距离内的光场分布,根据导出的光场表达式,数值模拟了三维光强分布及相应光斑图。研究表明在椭圆加工误差存在的情况下,不同椭圆误差、不同传输距离、不同光波波长对纳秒贝塞尔光脉冲光束传输均有影响。实验采用胶片扫描法对垂直于传播轴的横截面内纳秒光斑进行了记录分析。实验结果和理论模拟吻合很好。

轴棱锥顶点离轴加工误差对贝塞尔光束的影响

理论推导了轴棱锥顶点离轴加工误差的透射率函数。在惠更斯-菲涅耳衍射积分理论和稳相近似法的基础上,推导出顶点离轴轴棱锥后的衍射光场表达式,分析了顶点离轴加工误差对贝塞尔光束的影响。对顶点离轴轴棱锥后衍射光场进行数值模拟,结果表明,当为理想加工轴棱锥时,轴棱锥后的光场分布为近似理想贝塞尔光束;当存在加工误差时,衍射光斑对半分离。相同距离处,分离程度随顶点离轴误差的增加而增加;相同的顶点离轴误差下,分离程度随传输距离的增加而增加。同时,还研究了这种元件的加工厚度对光斑分离程度的影响,结果表明,随着加工厚度的增加,光斑分离程度也会逐步增大。研究结果对轴棱锥加工、贝塞尔光束应用等具有一定的指导意义。

双锥面轴棱锥产生长无衍射距离的太赫兹贝塞尔光束

为了克服传统轴棱锥产生太赫兹贝塞尔光束无衍射距离短的局限,设计了一种双锥面轴棱锥结构。基于几何光学理论对双锥面轴棱锥产生太赫兹贝塞尔光束的原理进行了分析,并对太赫兹贝塞尔光束的无衍射特性和双锥面轴棱锥顶点对齐误差对无衍射特性的影响进行了理论和仿真计算分析。同时,采用透射式太赫兹时域光谱系统对双锥面轴棱锥的功能进行了实验验证。仿真和实验结果表明:太赫兹波经过锥面底角为γ_(2)=20°、γ_(1)=15°的双锥面轴棱锥后能够产生110 mm无衍射距离的太赫兹贝塞尔光束,相较于传统轴棱锥,无衍射距离增加了82.63 mm;无衍射距离随着锥形底面角度的增加而增大。