矢量贝塞尔涡旋波束在单轴各向异性介质中的传输

发布时间：2020-03-28 02:58

【摘要】：矢量贝塞尔涡旋波束是一类典型的涡旋波束,携带轨道角动量,可以作为一种新的空间模分复用自由度,并且具有贝塞尔波束的无衍射以及自重建等特性,在通信、成像以及激光材料加工等领域有着广阔的应用前景。目前该类波束本身的性质已经得到了较为充分的研究,然而在实际环境中,波束与介质的相互作用机理,以及不同类型介质环境对波束传播特性的影响等问题仍是关系到波束在通信、成像等领域应用的关键前提。本论文针对矢量贝塞尔涡旋波束在单轴各向异性介质中的传播特性,基于不同矢量波函数的转换关系,利用电磁场的矢量波函数展开方法,结合电磁场的边界条件,对不同极化矢量贝塞尔涡旋波束斜入射均匀/多层、有耗/无耗单轴各向异性介质的反射和透射特性进行了深入系统研究。本论文的主要研究内容如下:1.首先通过旋转加法定理,利用球矢量波函数与圆柱矢量波函数转换关系,推导了任意斜入射矢量贝塞尔涡旋波束的场强表达式;并给出了三种特殊极化方式(线极化、圆极化以及径向极化)的展开系数表达式,将数值结果与解析结果进行对比初步验证了本文方法的正确性。2.通过未知谱幅度以及傅里叶变换,求解单轴各向异性介质内部场的圆柱矢量波函数展开式,并与入射场、反射场以及透射场建立边界条件方程,求解了反射场、内部场以及透射场的展开系数。通过贝塞尔涡旋波束的退化、垂直入射各向同性介质以及与解析结果的定量对比验证了本文所提出方法的正确性与精确度。在此基础上,数值模拟了矢量贝塞尔涡旋波束斜入射均匀单轴各向异性介质板的反射与透射。分析了入射角和极化方式对矢量贝塞尔涡旋波束在传输过程中场强相位分布以及轨道角动量态分布的影响。数值结果表明,本文方法在研究矢量贝塞尔涡旋波束在单轴各向异性介质中的传输时具有较高的精确性;波束的入射角和极化方式对反射场和透射场的场强分布与轨道角动量态分布有显著的影响。3.推导了多层单轴各向异性介质内部场展开系数的级联表达式,通过该式求解了多层单轴各向异性介质板的反射与透射,并分析了矢量贝塞尔涡旋波束的能流密度、极化度以及轨道角动量态分布在传输过程中的变化,重点分析了介质的有耗性对反射波束与透射波束轨道角动量态分布的影响。结果表明,介质的多层性以及有耗性会严重影响矢量贝塞尔涡旋波束的传输过程。特别地,单轴各向异性介质的有耗性可以减少反射波束非主轨道角动量态的衍生,在矢量贝塞尔涡旋波束的复用与解复用中有着重要的作用。4.基于轴锥镜产生贝塞尔波束的原理,实验产生了质量较好的零阶矢量贝塞尔波束与高阶矢量贝塞尔涡旋波束。在此基础上,初步开展了高阶矢量贝塞尔涡旋波束的传输实验,得到了不同入射角度条件下,矢量贝塞尔涡旋波束斜入射各向同性介质板时透射场的光强分布,并与数值结果进行对比分析,结果吻合良好。
【图文】：

场强分布,贝塞尔,理论解析,场强分布

图2.5 x 极化贝塞尔涡旋波束场强分布与理论解析结果对比图0(l 2, 10 )从图中可以看出，各个电场分量的模拟结果大多都能很好地与解析结果相吻合且都呈中心对称结构。其中yE 分量的模拟结果有些许偏差，这是因为程序计算结果存在精度上的误差，而 x 极化方式下yE 分量本身就是微小量，这并不影响实际的计算过程。2.5.2 圆极化圆极化的极化参量( , ) (1, ) 2x yp p i ，可以用 x 极化和 y 极化的极化参量表示为： ,2circ x yi Q Q Q (2-9上标 circ 表示圆极化，符号分别表示左旋（+）和右旋（-）圆极化。根据这个关系，不难得出圆极化贝塞尔涡旋波束的展开系数可以用 x 极化和 y 极化贝塞尔涡旋波束的展开系数表示为：

场强分布,理论解析,贝塞尔,场强分布

西安电子科技大学硕士学位论文24图2.6 左旋圆极化贝塞尔涡旋波束场强分布与理论解析结果对比图0(l 2, 10 )从图中可以看出，除了yE 的分布与 x 极化的结果不同，其吻合度也相当优良，这是因为对于圆极化来说，xE 分量与yE 分量具有相同的量级。与 x 极化还有不一样的就是所有电场分量都属于中心圆对称结构，且zE 分量的环半径明显大于其它分量。这一点可以从解析表达式上得到解释，对于贝塞尔函数，阶数越高，其环半径越大。2.5.3 径向极化重复推导线极化展开系数的过程，对于径向极化，，其极化参量( , ) ( c o s , s i n )x yp p
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1

【相似文献】