艾里涡旋光束的产生及其传播特性研究

发布时间：2020-11-01 21:49

　　 艾里光束具有无衍射、自愈以及其独有的自弯曲性质,近年来在光学界掀起了研究热潮。具有横向加速度的艾里光束被广泛应用于微粒清扫、微粒捕获、等离子体通道、光子弹以及医学治疗等众多领域。涡旋光束具有螺旋形的相位分布,中心光强为零,在此处形成一个暗核,它能够无损伤地捕获粒子,同时涡旋光束还携带轨道角动量,能使被捕获的粒子发生旋转,这在光学微操纵、量子通信等领域都有应用价值。本文基于艾里光束与涡旋光束各自的特性,提出一种艾里涡旋光束。主要工作如下:首先,通过在艾里光束立方相位的基础上,叠加一个螺旋相位,得到立方螺旋相位,进而产生艾里涡旋光束。改变立方相位与螺旋相位之间的位错,得到初始场不同的艾里涡旋光束,即光学涡旋加载在艾里光束的不同位置,并通过模拟与实验观察该光束的传播特性,发现艾里涡旋光束在传输过程中,光学涡旋不会影响艾里光束的传输轨迹,其主瓣依旧遵循抛物线轨迹,同时主瓣与光学涡旋的相对位置会随着传播距离的增加逐渐加大。其次,为了改善艾里光束能量分布不均匀的问题,基于其自弯曲的特性,提出一种具有对称性质的四艾里自聚焦光束。同样对相位进行调制,在立方相位的基础上,对其取绝对值操作,得到对称艾里光束。此时,再将螺旋相位加入到对称立方相位中,并且通过改变对称立方相位与螺旋相位的相对位置得到对称艾里涡旋光束的两种形式,即轴向型和离轴型。通过模拟与实验,研究轴向型和离轴型对称艾里涡旋光束的传播特性。发现光束会出现自动聚焦现象,且轴向型光束中心会在初始平面出现暗核,同时光束会发生旋转,而离轴型光束在传播过程中涡旋会出现在主瓣中心,形成暗核。接着,为了获得初始光场可控的对称艾里涡旋光束,在对称立方相位的基础上引入线性因子c,不同数值的线性因子可以得到不同初始场的对称艾里涡旋光束。线性因子大于零时,光束四个艾里主瓣均沿着光轴向内传播;线性因子小于零时,光束四个艾里主瓣均远离光轴向外传播。最后,讨论衰减系数、尺度参数以及波长这三个参量对光束的影响。衰减系数越大,得到的对称艾里涡旋光束的能量越弱;尺度参数越大,光束的弯曲程度越小,同时宽度越窄;波长越大,光束的传输轨迹越陡峭,其自聚焦位置也相应前移。
【学位单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O436
【部分图文】：

2 艾里光束的特性及其产生方法轴衍射波动方程与薛定谔方程在形式上是一致的，所以在理论上，方式类似的艾里函数无衍射解[2]，即：23i( , ) Ai exp i2 2 12s s s 示艾里函数，其数学表达式为[62]：301 1Ai( )= cos dπ 3x t xt t 表示一维无衍射的自加速艾里光束沿光轴传播的光强示意图。从图中到，在传播过程中，艾里光束主瓣（即图中颜色值为红色部分）与旁变。另外还发现，在传播过程中，艾里光束会发生二次曲线的横向偏是一条抛物线，我们将这一现象称为该光束具有自弯曲性质。

2 艾里光束的特性及其产生方法其中，a是一个大于零的正常数，且远远小于 1，添加衰减因子后的艾里光束其尾瓣会发生衰减，从而可以实验得到具有这种特殊现象的光束，此时，有限能量的艾里解随传输距离变化的表达式如下[2]：22 3 2( , ) exp( )2 2 12 2 2a i ia iss Ai s ia as (2.7)从图 2.2 左右两张图中可以看出，不同的衰减系数a在传输过程中对艾里光束尾瓣的影响不同，这里，图 2.2(a)中 a 0.01，图 2.2(b)中 a 0.05，此时 1000x μm。很显然，与图 2.1 中无穷大能量的艾里光束相比，图 2.2 中的艾里光束在传输过程中，能量有一定的衰减，并且衰减系数a越大，其衰减程度越明显。

(2.4)进行傅里叶变换，在归一化的k空间中得到艾里光束的傅里叶频谱形2 3 2 30i( ) exp( )exp[ ( 3 i )]3 k a k k a k a式可以看出，艾里光束的频谱呈现高斯型分布，由于 a 值很小，所以可以，这里只关注三次方项。他参数都不变的情况下，通过调节0x 和0y 这两个参数可以改变二维艾里光艾里光束主瓣的大小。当 0.0600x y mm，此时a取 0.03，可以得到如维艾里光束的横截面光场分布情况，其中图 2.3(a)是 0即初始平面处的 2.3(b)是 100处的光场分布。从左右两幅图中可以看出，艾里光束经过输，其形状和能量基本保持不变，并且沿着y xs s方向进行传播。
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本文编号：2866148