类艾里光束的传输演化特性研究

发布时间：2020-03-21 06:33

【摘要】：艾里光束是近几年兴起的一种无衍射光束,它在传输过程中具有无衍射、自愈合、自加速的奇特光学特性,因而吸引了诸多科研工作者的广泛兴趣,在表面等离激元操控、光弹、三维超分辨率成像、图像信号传输等多个领域有极为广泛的应用。随着艾里光束的应用推广,衍生出了诸多不同类型的类艾里光束。同标准艾里光束相比,相位经过额外或特殊调制的类艾里光束,其某些特性会得到优化与加强,以满足人们的应用需求。通过改变两翼夹角和在艾里函数的基础上添加螺旋相位,本文主要研究了任意两翼夹角的非傍轴二维艾里光束和两翼夹角不为90°的畸形二维涡旋艾里光束的传输特性,并与前人研究过的傍轴二维艾里光束和两翼夹角为90°的二维涡旋艾里光束的传输特性进行了比较研究。论文具体研究内容如下:(1)以突变理论为基础框架,从二维艾里光束的光场分布方程出发,推导得到了不同两翼夹角、不同入射角度的二维艾里光束的传输特性。我们发现:两翼夹角为90°的二维艾里光束在傍轴传输时不会发生双曲脐点型突变,光束沿一条抛物线轨迹传播,而在非傍轴传输时则会发生双曲脐点型突变,主瓣和光强峰值点沿两条不同的抛物线轨迹传播;两翼夹角不为90°的二维艾里光束则不论在傍轴还是非傍轴传输时都将发生双曲脐点型突变。另外本文还对任意两翼夹角的傍轴二维艾里光束的传播轨迹进行了数值模拟,得到了两翼夹角改变时光束传播轨迹的变化规律。(2)结合数值模拟和实验测量的结果,我们分析了不同拓扑荷数、任意两翼夹角的二维涡旋艾里光束的传输演化特性。我们发现,由于额外添加的螺旋相位,二维涡旋艾里光束的主瓣在初始位置处存在一可自修复的半环形缺口,自修复距离跟两翼夹角和拓扑荷数的大小有关。又因为光学涡旋具有轨道角动量,使得光束在传播过程中会发生向左的横向偏移,因此可以通过改变两翼夹角和拓扑荷数来控制光束主瓣和光强峰值点的传播轨迹,做到上下、左右全方位的轨迹调制。另外,考虑到二维涡旋艾里光束在传输过程中能量分布的变化,我们可以通过改变两翼夹角和拓扑荷数来控制光束在不同传输距离处横截剖面图中任意位置的光强比。
【图文】：

传输模拟,光束,艾里函数

ｂｅａｍｓ．逡逑对艾里函数的平方积分发现，积分结果不收敛，即４邋００，意味着理想的逡逑艾里光束携带有无限能量。如图２－２所示，无论传输距离多长，理想艾里光束都可以保逡逑持无衍射的特性，这在现实世界肯定是无法实现的。所以，为了能在实验中实现艾里光逡逑束，，０７年Ｓｉｖｉｌｏｇｌｏｕ等人［５－６］对艾里函数进行了邋“截趾”处理，在初始位置处给理想艾里逡逑光束乘以一指数衰减项ｅｘｐ（（７ｓ），艮Ｐ：逡逑＾＞（ｓ，0）邋＝邋Ａｉ（ｓ）ｅｘｐ（ａｓ）逦（２．９）逡逑式中《被称为“截趾”因子或衰减因子，由光学系统的有效孔径决定。将（２．９）式作为逡逑基础解形式，再次求解傍轴衍射波动方程（２．７），得：逡逑ｃｐ（ｓ＾）邋＝邋Ａｉ邋５－ｆ＾ｌ邋＋ｉａ￡邋ｅｘｐｆ逦＋逦（２．１０）逡逑ｖ邋ｗ邋［逦［２Ｊ逦１邋Ｌ邋２逦１２逦２逦２邋Ｊ逡逑８逡逑

模拟图,光束,二维,模拟图

逦类艾里光束的传输演化特彳生研究逡逑＂邋＿ｉｉｉ＾Ｂｌ＾ｉｉ＿逡逑图２－４用于产生二维艾里光束的立方相位图逡逑Ｆｉｇ．２－４邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋ｃｕｂｉｃ邋ｐｈａｓｅ邋ｐａｔｔｅｒｎｓ邋ｕｓｅｄ邋ｆｏｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ邋ｔｗｏ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋Ａｉｒｙ邋ｂｅａｍ逡逑上面讨论的均是一维的艾里光束，类似的，参考一维艾里光束，我们可以写出二维逡逑艾里光束的光场表达式：逡逑（ｐ｛ｘ，ｙ，ｚ）邋＝邋（ｐ｛ｘ，ｚ）（ｐ｛ｙ，ｚ）逡逑／邋＼邋２逦＂１邋／邋１邋２邋２邋＼逡逑，．邋ｚ邋＼逦ａｚ￣邋．．ｃｒｚ邋．ｘｚ逦，逡逑＝Ａｉ邋ｘ邋一邋一邋Ｈ－ｉｃｉｚ邋ｅｘｐ邋ｏｘ逦１逦１逦１－１邋—逦（２．１２）逡逑｛２Ｊ逦ｊ逦２逦１２逦２逦２邋Ｊ逡逑／逦＼邋２逦／逦９逦２，逦＼逡逑＾．邋ｚ邋．逦ａｚ￣邋．ｚ邋．ａ＾ｚ邋．ｙｚ逡逑ｘＡｉ邋ｙ－邋—邋－＼－ｉａｚ邋ｅｘｐ邋ａｙ逦１邋—邋＋邋ｚ逦＋邋ｚ邋—逡逑＼２）逦Ｊ逦「逦２逦１２逦２逦２邋）逡逑同样，当衰减因子《邋＝邋０时，（２．１２）式即为无限能量二维艾里光束的光场表达式。运用逡逑前文简单介绍的产生艾里光束的方法，我们利用如图２－４所示的二维艾里光束的立方相逡逑位板
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O436

【参考文献】