艾里涡旋光束阵列的产生与传播特性研究
发布时间：2021-08-12 21:17
艾里光束具有无衍射、自加速以及自愈等特性,在清洁微粒、光捕获、离子能量旋转和三维光弹等诸多领域有广泛应用前景。而涡旋光束由于自身的螺旋波前相位特性在光操控、图像增强和高容量通信等领域获得广泛关注。由于艾里涡旋光束结合了艾里光束和涡旋奇点双重特性,在激光医学、激光消融等线性或非线性领域成为国内外的热门研究课题。目前主要集中在单个直角或圆艾里涡旋光束的基础研究,关于光束空间复用产生广义艾里涡旋光束阵列的课题研究较少,而且产生相关阵列的实验光路较复杂、相位膜片的制作方式繁琐、光能利用率较低。针对以上问题,提出基于傅里叶共轭对称延拓计算全息法产生广义艾里涡旋光束阵列的方法,并对其传播动力学特性进行了研究。首先,利用傅里叶共轭对称延拓计算全息法产生艾里涡旋光束阵列相位膜片,使其在空间域上得到复用。利用该方法产生的多艾里涡旋光束排布方式灵活,相位膜片制作方法和实验光路相对简单,并且光能利用效率较高。其次,基于坡印廷矢量和菲涅耳衍射积分公式分析艾里涡旋光束阵列的传播动力学特征。由于艾里光束主瓣的传播速度大于涡旋奇点的传播速度,在传播过程中主瓣慢慢恢复为能量最强点,保持了艾里光束的自愈特性。以“头对头...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
/2相位膜片产生的艾里涡旋光束的传播演化[52]
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文2性，分析了初始发射角和拓扑电荷值对自聚焦位置及聚焦强度的影响。1.2艾里涡旋光束国内外研究现状及分析1.2.1艾里涡旋光束的产生方法2011年，Sun等人利用3/2相位膜片产生携带相位奇点的艾里光束，此方法克服了传统复杂光路对准艾里主瓣和涡旋中心的困难，提供了一种生成艾里涡旋光束的实用方法[52]。艾里涡旋光束传播演化如图1-1所示。涡旋具有相较于艾里主瓣更快的偏离速度。主瓣会随着传播距离的增加而从中空状态恢复为能量最大点，从侧面证明了艾里光束的自愈特性。图1-13/2相位膜片产生的艾里涡旋光束的传播演化[52]Fig.1-1PropagationevolutionofAiryvortexbeamgeneratedby3/2phasemask随后，梁毅等人提出两翼夹角非正交形式的二维艾里涡旋光束的产生方法，并进行了理论计算和仿真，如图1-2所示[38]。锐角艾里涡旋光束在自由空间传播时将发生双曲脐点型突变，主瓣和光强值点沿两条不同的抛物线轨迹传播，而大部分能量沿光强峰值点轨迹传播。两翼夹角越接近90°，艾里光束自愈能力越强，自愈效果越好。涡旋奇点由于具有轨道角动量存在沿横向的偏移，同距离下偏移程度和夹角成正比。而钝角的艾里涡旋光束大部分能量将演变成趋于x轴平行的一维艾里图样，只有小部分能量将演变成标准二维艾里图样。但是实验中变型光束未在空间进行多路复用，对于粒子操控效率较低。图1-2锐角、钝角和直角的变型艾里涡旋光束的传播演化[38]Fig.1-2Propagationevolutionofdeformedacute,rightandobtuseangleAiryvortexbeam
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文31.2.2多艾里光束的产生2013年，Fan等人提出通过引入二进制相位实现可调谐双生艾里光束。此研究将传统的0-255灰度渐变相位做二值处理，得到双生艾里光束。首先，由于无需测量主瓣相对于光轴的偏移量，在自由空间观测其自加速特性较以往的单艾里光束更为方便；其次，其焦距可控，焦点的位置可以通过斜率因子改变[53]。实验光路如图1-3所示，空间光调制器装载了二进制相位膜片，在频谱面上可以获得对称双生艾里光束。但是基于这种方法产生的对称艾里光束两个主瓣始终朝向中心，无法对光场结构进行灵活调控。图1-3产生对称双生艾里光束的实验装置[53]Fig.1-3ExperimentalsetupforgeneratingtwinAirybeamsusingbinaryphasepatterns基于相位调制方法，利用绝对值立方相位实现对称四艾里光束的产生。这四艾里光束的整个横向平面是轴对称和中心对称的，并且仍然具有单艾里光束所具有的自愈、自加速和无衍射等特性。该光束在空间传播时波包向中心聚拢，形成自聚焦，如图1-4所示[30]。随着传播距离进一步增大，光束逐渐发散。该方法为艾里光束在粒子操控以及等离子通道、波导等方向的应用开辟了新的可能性，但用该方法产生的并不是标准形式的艾里光束，因此其固有特性会受到影响。图1-4对称结构自聚焦艾里光束[30]Fig.1-4Symmetryself-focusingAirybeam
【参考文献】：
期刊论文
[1]Free-space propagation of autofocusing Airy vortex beams with controllable intensity gradients[J]. 闫旭,郭立新,程明建,柴水荣. Chinese Optics Letters. 2019(04)
[2]对称艾里涡旋光束的传播特性[J]. 毛红行,兰燕平,赖松陶,钱义先. 光子学报. 2019(03)
[3]Propagation dynamics of deformed 2D vortex Airy beams[J]. 陈颖康,林茜文,林书玉,莫少莹,万玲玉,梁毅. Chinese Optics Letters. 2017(08)
[4]加速四艾里光束的坡印亭矢量及角动量研究[J]. 王雅倩,任志君,李晓东. 光学学报. 2015(12)
[5]艾里涡旋光束在大气湍流中的漂移特性研究[J]. 程振,楚兴春,赵尚弘,邓博于,张曦文. 中国激光. 2015(12)
[6]艾里涡旋光束在梯度折射率介质中的动态传输与涡旋轨迹[J]. 程科,夏基深,钟先琼. 光子学报. 2014(09)
本文编号：3339091
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
/2相位膜片产生的艾里涡旋光束的传播演化[52]
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文2性，分析了初始发射角和拓扑电荷值对自聚焦位置及聚焦强度的影响。1.2艾里涡旋光束国内外研究现状及分析1.2.1艾里涡旋光束的产生方法2011年，Sun等人利用3/2相位膜片产生携带相位奇点的艾里光束，此方法克服了传统复杂光路对准艾里主瓣和涡旋中心的困难，提供了一种生成艾里涡旋光束的实用方法[52]。艾里涡旋光束传播演化如图1-1所示。涡旋具有相较于艾里主瓣更快的偏离速度。主瓣会随着传播距离的增加而从中空状态恢复为能量最大点，从侧面证明了艾里光束的自愈特性。图1-13/2相位膜片产生的艾里涡旋光束的传播演化[52]Fig.1-1PropagationevolutionofAiryvortexbeamgeneratedby3/2phasemask随后，梁毅等人提出两翼夹角非正交形式的二维艾里涡旋光束的产生方法，并进行了理论计算和仿真，如图1-2所示[38]。锐角艾里涡旋光束在自由空间传播时将发生双曲脐点型突变，主瓣和光强值点沿两条不同的抛物线轨迹传播，而大部分能量沿光强峰值点轨迹传播。两翼夹角越接近90°，艾里光束自愈能力越强，自愈效果越好。涡旋奇点由于具有轨道角动量存在沿横向的偏移，同距离下偏移程度和夹角成正比。而钝角的艾里涡旋光束大部分能量将演变成趋于x轴平行的一维艾里图样，只有小部分能量将演变成标准二维艾里图样。但是实验中变型光束未在空间进行多路复用，对于粒子操控效率较低。图1-2锐角、钝角和直角的变型艾里涡旋光束的传播演化[38]Fig.1-2Propagationevolutionofdeformedacute,rightandobtuseangleAiryvortexbeam
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文31.2.2多艾里光束的产生2013年，Fan等人提出通过引入二进制相位实现可调谐双生艾里光束。此研究将传统的0-255灰度渐变相位做二值处理，得到双生艾里光束。首先，由于无需测量主瓣相对于光轴的偏移量，在自由空间观测其自加速特性较以往的单艾里光束更为方便；其次，其焦距可控，焦点的位置可以通过斜率因子改变[53]。实验光路如图1-3所示，空间光调制器装载了二进制相位膜片，在频谱面上可以获得对称双生艾里光束。但是基于这种方法产生的对称艾里光束两个主瓣始终朝向中心，无法对光场结构进行灵活调控。图1-3产生对称双生艾里光束的实验装置[53]Fig.1-3ExperimentalsetupforgeneratingtwinAirybeamsusingbinaryphasepatterns基于相位调制方法，利用绝对值立方相位实现对称四艾里光束的产生。这四艾里光束的整个横向平面是轴对称和中心对称的，并且仍然具有单艾里光束所具有的自愈、自加速和无衍射等特性。该光束在空间传播时波包向中心聚拢，形成自聚焦，如图1-4所示[30]。随着传播距离进一步增大，光束逐渐发散。该方法为艾里光束在粒子操控以及等离子通道、波导等方向的应用开辟了新的可能性，但用该方法产生的并不是标准形式的艾里光束，因此其固有特性会受到影响。图1-4对称结构自聚焦艾里光束[30]Fig.1-4Symmetryself-focusingAirybeam
【参考文献】：
期刊论文
[1]Free-space propagation of autofocusing Airy vortex beams with controllable intensity gradients[J]. 闫旭,郭立新,程明建,柴水荣. Chinese Optics Letters. 2019(04)
[2]对称艾里涡旋光束的传播特性[J]. 毛红行,兰燕平,赖松陶,钱义先. 光子学报. 2019(03)
[3]Propagation dynamics of deformed 2D vortex Airy beams[J]. 陈颖康,林茜文,林书玉,莫少莹,万玲玉,梁毅. Chinese Optics Letters. 2017(08)
[4]加速四艾里光束的坡印亭矢量及角动量研究[J]. 王雅倩,任志君,李晓东. 光学学报. 2015(12)
[5]艾里涡旋光束在大气湍流中的漂移特性研究[J]. 程振,楚兴春,赵尚弘,邓博于,张曦文. 中国激光. 2015(12)
[6]艾里涡旋光束在梯度折射率介质中的动态传输与涡旋轨迹[J]. 程科,夏基深,钟先琼. 光子学报. 2014(09)
本文编号：3339091
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