像散及部分相干螺旋贝塞尔光束的研究

发布时间：2020-06-07 06:00

【摘要】：学位论文主要研究了像散贝塞尔光束及部分相干螺旋贝塞尔光束的形成与光学特性。在第一部分中,论文分别研究了轴棱锥器件加工误差以及像散对贝塞尔光束质量的影响,其中着重研究了像散对高阶贝塞尔光束的影响,并由此提出了一种基于像散原理检测涡旋光拓扑电荷数的新方法。在第二部分中,研究了部分相干螺旋贝塞尔光束的形成及其在自由空间中的传输特性,并探讨了光场调控对其传输特性的影响。具体内容可分为如下几点:1.提出了一种轴棱锥误差加工结构,理论推导了顶点离轴加工误差轴棱锥的透过率函数。基于惠更斯-菲涅耳衍射积分理论和稳相原理,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Bessel光束。当存在加工误差时,衍射光斑对半分离。2.利用螺旋相位板-轴棱锥系统可以产生高阶Bessel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Bessel光束的影响。结果表明当轴棱锥出现较小角度的偏转时,所产生的高阶Bessel光束出现中心亮环椭圆化;随着偏转角的增加,中心环椭圆率增大,并伴有暗核分裂的现象;继续增大偏转角,光斑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。设计相关实验进行验证,理论分析、数值模拟与实验结果基本吻合。3.基于基尔霍夫衍射积分理论,分别推导了涡旋光斜入射轴棱锥与凸透镜后的衍射光场表达式。提出了一种利用轴棱锥检测光束拓扑电荷数信息的简单可行方案。将此方案与凸透镜聚焦斜入射涡旋光方案作出对比,研究结果表明应用轴棱锥聚焦斜入射涡旋光检测拓扑电荷数信息的方式无需对检测点进行严格定标,实际检测工作中该方案更具备灵活性,适用性也更为广泛。设计实验进行验证,实验与理论基本吻合。4.理论分析了螺旋贝塞尔光束的产生机理。根据高斯-谢尔模型的交叉谱密度公式及交叉谱密度传播理论,推导得出了部分相干螺旋贝塞尔光束的表达式。研究了部分相干螺旋贝塞尔光束的传输特性及相干度对其传输特性的影响。结果表明,随着传输距离的增加,光束截面光强分布衬比度逐渐下降,光场分布由贝塞尔型分布逐渐向高斯型分布转变,但是光束仍具备螺旋自加速特性;对于高阶光束,出现了暗核消退现象,并且暗核消退距离随阶数的增加而增加。随着相干长度的下降,贝塞尔光场分布区间逐渐减小,光束的无衍射距离缩短。同时,探讨了光场调控对光束的影响,其中包括了全息片的参数设定以及光场相干度的调节。
【图文】：

示意图,部分相干光,示意图,观察面

1 1 1E ( x , y , z) 、2 2 2E ( x , y , z) 分别为波源面上的初始光场复振幅和观察面上的复振幅分布，1 cos( )2+θ为倾斜因子。当满足菲涅耳傍轴近似2 1 2 1z x x ,y y，(2.21)式可进一步简化为菲涅耳积分形式：2 2 2 1 1 12 22 1 2 1 1 1( , , ) ( ) exp( ) ( , , 0)exp{ [( ) ( ) ]}2iE x y z ikz E x yzikx x y y dx dyzλ= × + (2.22)2.3.2 交叉谱密度的传输对于准单色部分相干光的传输可以采用交叉谱密度传输理论进行描述。如图 2.2 所示， x ' y'为场源平面，x y为观察面，它们之间的间距为 z。

示意图,棱锥,离轴,加工误差

无衍射贝塞尔光束自提出以来便颇受关注，各种关于其产生方法的研究更是如雨后春笋般涌现。其中，轴棱锥法因其众多的优良特性而独占鳌头，在光学领域备受推崇，并且对其研究应用至今仍是一项热门课题。在本章中，我们通过研究轴棱锥器件的几何架构后，提出了一种加工误差现象。并对其光学特性进行研究，探讨了加工误差对贝塞尔光束的影响。3.1 透过率函数推导图 3.1 给出了理想轴棱锥(a)和带有顶点离轴误差的轴棱锥(b)三维几何示意图。依据几何知识可以知道，当轴棱锥不存在顶点离轴加工误差时，其底角γ不随底面方位角的变化而变化；当存在顶点离轴加工误差时，底角γ将是顶点离轴距离ε和底面方位角的函数。图 1(b)中，OB = R，OC = ε, CD = h，BC = l，∠ AO B = ，∠ CBD = γ。其中 R 为轴棱锥底面圆半径，ε为顶点离轴距离，h为轴棱锥顶点到底面的厚度，为底面方位角， γ 为轴棱锥底角。
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O436

【参考文献】