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。     

贝塞尔高斯光束经菲涅尔波带片产生特殊聚焦光强分布

基于衍射光学方法,研究了不同阶数的贝塞尔高斯光束经过环形菲涅尔波带片后,在波带片的焦点附近所形成光强分布。入射光束为高阶贝塞尔高斯光束,聚焦区域获得了空心光强分布,入射光束的阶数越高,空心尺寸越大;菲涅尔波带片的数目越多,空心长度越短。入射光束为零阶贝塞尔高斯光束,在聚焦区域获得了针形光束和局域空心光束。这些具有特殊光强分布的光束在激光加工以及粒子囚禁等领域有着潜在应用价值。     

贝塞尔高斯径向偏振光束在衍射光学元件调制下多光球的产生

基于Richards－Wolf的矢量衍射积分公式,研究了贝塞尔高斯径向偏振光束在衍射光学元件(Diffractive optical elements, DOE)的调制下入射到由 两个相同高数值孔径透镜组成的4pi聚焦光学系统中的聚焦特性。由于DOE不同环之间相互干涉的原因,出现不同于原贝塞尔高斯径向偏振矢量光束的新聚焦特性。数值模拟结果显示贝塞尔高斯径向偏振光束经过此光学系统后,在焦点附近产生沿光传播方向的多个光球,其光球的个数与DOE的环数以及不同环的大小有关。若调节4pi聚焦系统两侧入射光束的整体相对相位还可以实现多个光球整体沿纵向方向的移动,实现了亮光链的作用,这对于矢量光束应用在光学显微镜、光存储和粒子操控等方面具有十分重要的意义。     

半导体激光可调谐局域空心光束

为实现局域空心光束的可调谐性,以半导体激光器作为光源,采用贝塞尔光束聚焦法来获得局域空心光束。采用平凸柱透镜和梯度折射率透镜对光束进行整形,以获得发散角可变的激光束,进而得到尺寸可调谐的局域空心光束。数值模拟结果表明,当照射在轴棱锥上的光束发散角在0°～1.5°范围内连续变化时,局域空心光束的最大径向尺寸在90.23～64.05μm之间可调谐,而局域空心光束的长度在1.85～1.47 mm之间变化。可调谐局域空心光束可显著增加光镊技术的应用灵活性。     

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。     

线性径向梯度折射率透镜产生贝塞尔光

提出了一种产生长距离、高质量贝塞尔光束的新型光学元件——线性径向梯度折射率透镜(LRGIL)。从几何光学角度和衍射积分理论分析了LRGIL产生贝塞尔光束的原理,用软件进行模拟,得出LRGIL具有传统轴棱锥功效的结论。用Math CAD模拟LRGIL产生长距离贝塞尔光束,得出变化LRGIL的厚度和折射率曲线参数容易改变其产生光束的无衍射距离,并得到了无衍射距离大于3 m的贝塞尔光束。此外,LRGIL还有诸多优点,如不易损坏,更加灵活等,在实验和生产中拥有极大的开发潜力。     

在光纤末端基于贝塞尔光束的自由空间涡旋光发生器

设计了一种基于贝塞尔光束衍射的自由空间涡旋光发生器。贝塞尔光束在单模通 过一个螺旋相位盘在光纤末端传输的方法,然后逐渐演变为涡旋光束,并可在采用自由空间 中进行调制。利用时域 有限差分(FDTD)软件对发生器的工作波长范围、极化灵敏度和加工容差等特性进行了分析 。对比不同拓扑数值的 涡旋光束在自由空间中传播100 μm的结果,表明本文提出的光纤涡 旋光发生器具有在光纤中自然获得的贝塞尔光 束的非衍射特性,能够产生特定的贝塞尔光束,在高分辨率成像、粒子捕获和操纵等方面具 有潜在的应用前景。     

自加速艾里光束的生成及控制

基于切线簇的概念,从几何光学的角度分析了自加速艾里光束的形成过程,以及艾里光束入射面相位分布与其自加速轨迹的关系,并给出了根据自加速轨迹分布函数推算艾里光束入射面相位分布的迭代算法,讨论了艾里光束自修复特性的形成原理。利用液晶空间光调制器调制准直激光束实验生成了二维艾里光束,并对其无衍射、自加速、自修复等特性进行了验证。此外还通过对一维艾里光束的调控实验生成了自聚焦光束和类贝塞尔光束等新型的光束。     

太赫兹特殊光束的研究与应用

太赫兹特殊光束具有独特的光场分布和衍射特性,在粒子操控、光学成像和光通信等众多领域都有着明显的发展优势。综述了近年来本课题组和其他科研团队在太赫兹特殊光束方面展开的部分研究,包括太赫兹贝塞尔光束、涡旋光束、艾里光束、瓶子光束和径向偏振光束,系统地阐述了这些光束的光场分布特征、衍射特性及其潜在应用前景,旨在探讨太赫兹特殊光束对未来太赫兹技术的推动作用。     

基于贝塞尔光束的复合光场调控超衍射聚焦

新型光场调控技术已经在焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光通信等领域取得了众多重要成果。提出了一种基于贝塞尔光束的复合光场调控方案,利用贝塞尔光束固有角谱和环形光阑的锐边衍射实现了远距离的超衍射极限聚焦。理论和实验结果表明,轴棱锥-透镜系统生成的局域空心光束经环形光阑产生锐边衍射,其高频成份得到增强,从而具有超衍射聚焦特性。该局域聚焦光场与周围旁瓣光场距离很远,有望应用于远场超分辨显微成像和光镊等领域。     

光阑约束超几何激光束的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分和圆孔光阑函数展开为有限复高斯函数之和的方法,导出了超几何激光束通过有圆孔光阑约束的近轴ABCD光学系统传输的近似解析表达式,并对其传输特征进行了数值计算和分析。研究结果表明,超几何激光束光强的分布及其衍射效应与光阑的孔径大小、传输的距离以及光束参数等因素密切相关。此外,文中采用的近似解析方法与直接利用衍射积分计算相比,具有更高的计算效率,可以大大节省计算机时。     

用K参数描述光强陡峭度的有效性研究

光束光强分布的陡峭度或平整度通常可用陡峭度参数(K参数)来描述。以双曲余弦-高斯光束、贝塞尔函数调制的高斯光束和平顶高斯光束3种光束为例,给出了详细的数值计算和物理解释。研究表明,K参数只适用于描述呈钟形光束剖面的陡峭度,但不适用于有强衍射旁瓣、强调制或有中心凹陷的光束。     

关于衍射与无衍射光束

分析了衍射与无衍射光束的特点,讨论了无衍射光束的判据,指出衍射实质上是波动方程的非本征解光束在传输过程中趋于本征解光束的特点。     

计算全息法产生涡旋光束的实验

基于计算全息法,通过计算和模拟得到了涡旋光束与平面光束干涉所产生的位错条纹,用胶片记录位错条纹并制作成位错光栅,在自行设计搭建的光路中进行实验获得1~4 阶的涡旋光束。实验结果表明,各阶涡旋光束的空心半径随着阶数的增大而逐渐增大,与理论分析相符合;实验进一步观察到各阶光栅的二级甚至三级衍射光束,当入射光束中心与光栅位错中心重合时,能够产生光强分布对称的涡旋光束,当光束中心和光栅中心不重合时,产生的涡旋光束的光强分布不对称。这为后续以涡旋光束为捕获光束的光镊实验的进一步拓展及应用提供了理论和技术支持。     

高斯光束微圆孔衍射的“再现”与“自再现”研究

由基尔霍夫衍射公式得到高斯光束微圆孔衍射的积分式,导出一种解析算式,分析并模拟了高斯光束微圆孔衍射的“再现”与“自再现”,有利于在激光工程、微光学以及微光机电中对激光束的传输变换和调控.     

Diffraction of Lorentz-Gauss beam in uniaxial crystals:orthogonal to optical axis

Based on the diffraction theory of beams in uniaxial crystals, diffraction properties of a Lorentz-Gauss beam in uniaxial crystals orthogonal to the optical axis are derived in analytical forms. Diffraction fields, intensity distributions and effects of beam parameters are investigated by numerical examples, respectively. Results show that, upon propagation, initial field components and intensity distributions of Lorentz-Gauss beams would deteriorate due to effects of anisotropic media. When the Lorentz-Gauss beam diffracts into the far field, its intensity distribution would convert into a four-petal profile. Beam parameters wx and wy are shown to have a strong influence on intensity distributions. By selecting different values of them, profiles of Lorentz-Gauss beams would be different upon propagation.     

涡旋光束经过环形孔径的衍射特性的研究

对涡旋光束经过环形孔径之后的衍射特性进行了研究。从理论和实验上研究了涡旋光束经过环形孔径的衍射情况,考虑了整数阶涡旋光束和分数阶涡旋光束的衍射光强图,并讨论了拓扑电荷数对衍射图样的影响。研究表明,拓扑电荷数与光强分布紧密相关,这一现象可以用于测定涡旋光束拓扑电荷数。     

利用LCD相位调制获得高效率空心光束

空心光束由于具有一系列特殊物理性质,所以它在对微观粒子的三维操控技术中占据了极其重要的地位.本文提出采用LCD对入射激光进行相位调制得到高衍射效率空心光束的方法.文章研究了螺旋波的特性,分析了LCD相位调制的原理,在LCD上作出螺旋波的实时纯相位图对入射光进行相位调制,获得具有高衍射效率的空心光束.实验结果表明,采用LCD相位调制方法产生空心光束不但具有实时可调,方便、精确的优点,还具备高衍射效率.     

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.