蓝光LED产生局域空心光束

利用非相干蓝光LED和轴棱锥-透镜系统直接产生局域空心光束,证实了非相干光源通过轴棱锥-透镜系统可以得到局域空心光束。利用衍射理论和多波长叠加原理分析了具有一定频宽的部分相干光入射轴棱锥-透镜系统后的光场分布,并模拟了光束传输变换过程的三维光强分布及不同位置处的截面光强分布。实验采用蓝光LED结合轴棱锥-透镜系统产生局域空心光束,利用体视显微镜对不同位置处的光束截面光强分布进行记录。实验结果与理论分析相吻合,研究结果扩展了LED的应用,对粒子囚禁、原子冷却具有一定的指导和现实意义。     

轴棱锥透镜系统产生局域空心光束的几何光学解释

利用几何光学的光线追迹法形象地描述了轴棱锥透镜系统产生局域空心光束过程.分析了局域空心光束传输过程中的光强分布;同时利用光线追迹法分析了透镜焦距对局域空心光束尺寸大小的影响.结果表明,局域空心光束的尺寸随着透镜焦距的增大而增大.实验中利用轴棱锥透镜系统产生局域空心光束,并对不同位置的光斑进行了拍摄,分析了局域空心光束的演变过程及其横向光强分布.实验与理论模拟的结果相吻合.因而容易选择不同尺寸的局域空心光束对不同微粒进行囚禁.     

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。     

透镜焦距对局域空心光束尺寸的影响

基于衍射理论导出由轴棱锥和透镜系统产生的局域空心光束的光传输公式,模拟了其三维(3D)光强及截面光强分布图。由衍射理论和几何光学方法详细分析了聚焦透镜的焦距对局域空心光束尺寸的影响,即在相同条件下,局域空心光束的尺寸随着透镜焦距的增大而增大。实验得到当焦距分别为50 mm,70 mm以及100 mm时,局域空心光束的径向暗域尺寸为200μm,300μm以及430μm。理论计算、数值模拟与实验结果相吻合。     

梯度轴棱锥产生周期性局域空心光束的几何光学分析

利用几何光学的光学追迹法,对梯度轴棱锥系统产生周期性局域空心光束（bottle beam）的演变过程进行描述。利用光学仿真软件的光照度分析功能,对光束传播中不同传播距离的截面光强分布进行了模拟。结果表明,通过改变两个轴棱锥底角大小,可以对周期性局域空心区域的长度进行控制。这种梯度轴棱锥系统可以很容易地产生尺寸非常小的周...     

环形障碍物后的无衍射光重建产生局域空心光束

利用Hankel波理论和几何光学原理对无衍射光经环形障碍物的重建过程进行分析,结果表明轴棱锥产生的无衍射光是由从轴棱锥出射的两列Hankel波的叠加而形成的,并用Zemax软件对无衍射光经环形障碍物的过程进行光线仿真,模拟了环形障碍物后的轴上不同位置处的截面光强图,研究了局域空心光尺寸与环形障碍物参数之间的关系。并通过实验进行验证,实验中利用轴棱锥输出无衍射光,且在最大无衍射距离内放置环形障碍物,用CCD系统记录无衍射光经环形障碍物后的光强变化,实验和仿真结果基本吻合。仿真和实验结果均表明无衍射光束经环形障碍物后会重建并能产生中心光强为零的局域空心光束(Bottle beam),在光镊和光学微操作等方面具有潜在的应用价值。     

轴棱锥椭圆加工误差产生畸变无衍射光束的修正

轴棱锥的斜入射和加工误差对产生零阶贝塞耳光的光束质量有很大影响,而轴棱锥的加工误差常常是轴棱锥圆形横截面被加工成椭圆.由衍射理论和几何光学方法出发,分析了圆轴棱锥的斜入射和椭圆轴棱锥的正入射对产生贝塞耳光束质量影响的等价性.根据理论计算,模拟了圆轴棱锥的斜入射和椭圆轴棱锥加工误差的衍射光斑图.提出利用轴棱锥旋转法修正椭圆轴棱锥对无衍射贝塞耳光束质量的影响,获得了近似理想的贝塞耳光束,理论分析与模拟和实验结果基本相符.     

轴棱锥非圆对称加工误差对贝塞耳光束质量的影响

在惠更斯-菲涅耳衍射积分理论和稳相法的基础上,分析了轴棱锥非圆对称加工误差对其所产生的零阶贝塞耳光束(J0光束)质量的影响,对CCD拍摄的贝塞耳光斑图样进行了数值模拟。计算结果指出,当轴棱锥的截面为圆对称的理想加工时,轴棱锥产生的光场分布为近似理想的零阶贝塞耳光。当存在非圆对称加工误差,且截面为椭圆形时,衍射光斑将偏离J0光.随着椭圆半长短轴之差的增大,偏离程度增大。实验结果和理论模拟吻合得很好。     

用轴棱锥实现可改变的局域空心光束

理论和实验研究了利用轴棱锥-透镜系统产生的局域空心光束，分析了局域空心光束的演变过程，由简单的几何光学结构和近轴光线追迹的方法进行模拟。研究结果表明，局域空心光束的暗中空区域不仅与聚焦透镜的焦距有关，而且与光阑半径以及聚焦透镜到轴棱锥间的距离有关；对于给定的轴棱锥，局域空心光束的横向暗斑尺寸与焦距成正比，并且其纵向暗斑尺寸与聚焦透镜到轴棱锥间的距离以及光阑半径成反比。这些结果表明，改变聚焦透镜的焦距和聚焦透镜到轴棱锥间的距离以及光阑半径，可有效地改变局域空心光束的暗中空区域。     

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。     

非相干LED白光产生无衍射光的光源设计

非相干光源产生无衍射光束的实验中,入射光束的均匀性对产生无衍射光束的质量有很大影响。文中以非相干光源白光LED为例,通过对LED自身发光特性的分析,对光线传播过程进行数学建模,用非成像光学光通量守恒原理,对均匀照明设计方法进行理论推导,得到了一种基于非成像光学产生均匀光束的透镜设计方法。用三维建模软件进行建模并用光学仿真软件进行光线追迹,确定用该方法设计的透镜能满足实验对入射光束均匀度的要求,并初步实验获得较高质量的零阶无衍射Bessel光,验证了该设计方法的合理性。     

Multiplexed Nondiffracting Nonlinear Metasurfaces

Metasurfaces and planar photonic nanostructures have drawn great interest from the optical scientific community due to their diverse abilities of manipulating electromagnetic waves and high integration. Most metasurfaces launch diffracting waves, and thus suffer from divergence, short working distance, and instability. Although much effort has been devoted to researching nondiffracting metasurfaces which can launch electromagnetic waves with constant transverse intensity profiles in free‐space propagation, the number of working channels is inherently limited as these meta‐devices are implemented in the linear optical regime. Here, the multiplexed nondiffracting nonlinear metasurfaces are theoretically proposed and experimentally realized, which can generate the representative nondiffracting Bessel beam and Airy beam. Three Bessel beams with different numerical apertures and topological charges and three Airy beams with different propagation curves and focal lengths can be generated by a combination of different spins and wavelengths. The complex properties of the nondiffracting beams can be designed and detected in a more comprehensive and concise way with Fourier analysis. This proof‐of‐concept represents a new strategy for realizing multiplexed nondiffracting metasurfaces with advantages of ultracompactness, high‐pixelation, and easy integration and paves the way for multi‐channel optical communication and manipulation.     

圆柱偏振贝塞耳-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦

利用里查德-沃耳夫(Richards-Wolf)矢量衍射积分模型,推导了圆柱偏振贝塞耳-高斯(CPBG)光束经高数值孔径透镜聚焦的光场表达式,并用数值计算分析了各相关参数的取值变化对焦面及焦点附近光强分布的影响。研究表明,焦面光强大小及光强剖面形状与贝塞耳函数项相关参数β,偏振旋转角0,光束束腰宽度w0和数值孔径角α的取值相关。通过控制各相关参数的取值,在聚焦场中获得了有广泛实际应用的具有涡旋性质的局域空心光束和平顶光束。     

光束轨道角动量的量子通信编码方法研究

高阶Bessel无衍射光束具有轨道角动量,并且是在自由空间中传播时一定范围内横向强度分布保持不变的单色光场,光场中的每个光子都具有确定的轨道角动量 ,在每一本征模中由光量子携带的角动量数由拓扑荷 表示,本征态 可被用于多维量子纠缠。文中基于高阶Bessel光束,提出一种利用具轨道角动量光子正交态作为信息载体实现光通信的方法,每光子携带有确定的轨道角动量态,可以提高通信协议的密钥生成效率,也为增加光通信距离提供一种量子解决方案。     

轴棱锥聚焦涡旋光束获得高阶贝塞尔光束

采用轴棱锥聚焦涡旋光束,获得了高阶贝塞尔(Bessel)光束.首先,从理论模拟了涡旋光束经过轴棱锥聚焦后所获得的聚焦光强分布,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.并且所获得的高阶贝塞尔光束的阶数与涡旋光束的拓扑电荷数相司.进而,从实验获得高阶贝塞尔光束,并且采用不同锥角的轴棱锥对涡旋光束进行聚焦,研...     

部分相干光束的聚焦特性

基于部分相干光的传输方程,研究了光强为高斯分布、空间相干度函数为零阶贝塞耳函数的部分相干光束的聚焦特性。研究结果表明,在几何焦点附近的光强分布不仅依赖于入射的部分相干光束的光强分布,而且还依赖于部分相干光束的空间相干度。当空间相干长度、焦距等参数取某些特定值时几何焦点附近的光强分布将出现平顶光束的分布形式;另外,当空间相干长度取值改变时几何焦点附近的光强分布将出现局域空心光束的分布形式。基于此,可以通过改变部分相干光束的空间相干度来实现对几何焦点附近光强分布的控制,从而获得需要的光强分布。     

基于编码电磁超表面的Bessel波束设计

编码电磁超表面构成信息超材料研究领域的一个分支. 文中提出了基于编码电磁超表面的Bessel波束产生设计方法，为Bessel波束的产生与调控提供了新的解决方案；同时对基于电磁超表面的Bessel波束产生与设计的基本方法进行了梳理总结. 首先通过反射型编码电磁超表面分别设计了不同类型的Bessel波束，包括单波束零阶Bessel波束、双波束零阶Bessel波束、单波束高阶Bessel波束以及双波束高阶Bessel波束；然后对于每一种类型的Bessel波束分别对应给出了有关的设计理论和方法，并通过全波电磁仿真的方法进行了相应的仿真验证；最后，鉴于信息超材料技术的发展，基于编码电磁超表面的Bessel波束设计可以进一步地应用于信息超材料有关的系统设计，如近场无线信息/能量传输、近场雷达探测与成像，这也为信息超材料提供了一种可供选择的应用场景.