Bessel光束的机理及方法研究

发布时间：2020-02-21 17:38

【摘要】：1987年,I)urnin首次提出零阶Bessel光束是自由空间标量波动方程的一组特解,这种光束的横向光场分布表现为一个中心光斑与一系列同心圆环,并且不随传输距离发生变化,即使遇到不透明障碍物也能够自我修复。在过去几十年,Bessel光束这种独特的无衍射和自修复特性一直吸引着国内外研究人员的高度关注,并在诸多领域里得到应用,例如光学准直与成像、粒子微操控、激光微加工和非线性光学等。尽管如此,现有的关于Bessel光束的理论和方法仍然存在许多问题和不足。因此,相关研究工作仍然是光学领域的研究热点。本论文主要对Bessel光束的机理与方法进行系统研究,提出了一些新理论和新方法。论文的主要内容包括以下几个方面：基于衍射积分理论系统地研究了Bessel光束的产生机理,分别从理论和实验分析了环缝-透镜法和轴锥镜法所产生的Bessel光束的传输特性。详细讨论了影响轴锥镜产生Bessel光束特性的实际因素,包括入射光束的倾斜角度、轴锥镜的顶点加工误差、入射光束的横向失配和入射光束的椭圆率等。研究结果表明,上述因素不但会影响Bessel光束的轴上光强分布,还会影响其光斑形状,在轴锥镜的实际应用中必须加以考虑。采用单个轴锥镜产生的Bessel光束始于轴锥镜尖端,工作距离很短,限制了其应用范围。为了克服上述缺点,设计了两种紧凑型的轴锥镜组合系统,可用于产生大工作距离且参数可调谐的Bessel光束,为Bessel光束的广泛应用创造了条件。介绍了激光与金属材料相互作用的一般规律,基于一维双温方程分析了皮秒脉冲激光金属烧蚀机理,理论推导获得了轴锥镜法产生的Bessel激光光束能量密度分布的解析表达式,它可以用来预测超短脉冲激光对金属材料表面烧蚀所需的激光能量和烧蚀宽度。通过实验研究皮秒Bessel激光光束对金属材料的表面烧蚀,验证了其在激光加工的优越性。基于时域有限差分算法,提出三种采用光子纳米喷射技术产生Bessel光束的方法。首先设计了一种液浸核壳介质微球结构用于产生超长光子纳米喷射。其次提出了采用微型轴锥镜的方法产生光子纳米喷射。研究发现,与同等尺寸的介质微球相比,微型轴锥镜不但可以保持亚波长的喷射光束宽度,还具有更长的喷射长度。最后分析了椭球粒子的光子纳米喷射特性,研究结果表明,可以通过改变椭球粒子的椭圆率来实现对其光子纳米喷射特性的灵活调控。
【图文】：

示意图,环缝,光束,示意图

（１）环缝－透镜法逡逑环缝－透镜法是１９８７年由Ｄｕｍｉｎ提出的一种产生Ｂｅｓｓｅｌ光来的简易方法其实验装置逡逑如图１．１所示。将一个环形狭缝置于一个会聚透镜的前焦平面上，然后使用一宋单色平面逡逑光照射环形狭缝，，则在透镜的后方可Ｗ获得Ｂｅｓｓｅｌ光宋。逡逑一逡逑二逡逑一一逡逑图１．１环缝－透镜法产生Ｂｅｓｓｅｌ光束示意图Ｗ。逡逑在图１．１中，Ｂｅｓｓｅｌ光宋衍射角可Ｗ表示为逡逑０＝ｔａｎ＇邋－＾１逦（１．邋１）逡逑Ｕ／Ｊ逡逑其中，巧ｆ形狭缝的直径，／为透镜的焦距。因此，Ｂｅｓｓｅｌ光宋的最大传输距离表示为逡逑Ｚ邋＝巡逦（１．２）逡逑ｍａｘ邋ｄ逡逑上式中７？为透镜的半径。Ｄｕｍｉｎ在实验中证明，当透镜的孔径远大于Ｂｅｓｓｅｌ光宋的中记、光斑逡逑尺寸时，Ｂｅｓｓｅｌ光束的传输距离也将远大于Ｇａｕｓｓｉａｎ光宋的Ｒａｙｌｅｉｇｈ长度。逡逑３逡逑

全息图,环缝,光束,实验测量

图１．２环缝－透镜法产生的Ｂｅｓｓｅｌ光宋。（ａ）光强与传输距离的关系；（的实验测量与理论计算逡逑结果比较［４］。逡逑图１．２为Ｄｕｍｉｎ的数值模拟结果和实验测量结果图。其中图１．２（ａ）中的实线表示Ｂｅｓｓｅｌ逡逑光强与光束的传输距离的关系，虚线表示的是Ｇａｕｓｓｉａｎ光宋的光强与传输距离的关系，从逡逑图中可１；＾看到，采用环缝－透镜法产生的Ｂｅｓｓｅｌ光束传输了大约８０ｃｍ后光_5开始下降；而逡逑Ｇａｕｓｓｉａｎ光宋传输了大约１０ｃｍ强度就迅速下降了。图１．２（ｂ）是实验测量结果与数值模拟比逡逑较图，从中可Ｗ清楚看到，数值模拟结果和实验测量结果大致吻合。环缝－透镜法是一种逡逑产生Ｂｅｓｓｅｌ光束的简易方法，但是由于只有很少的一部分光通过环形狭缝，因此采用环缝－逡逑透镜法产生Ｂｅｓｓｅｌ光宋的效率非常低。逡逑（２）计算全息法逡逑１９８９年，Ｖａｓａｒａ等在Ｄｕｍｉｎ的王作基础上提出采用激化器和计算机所产生的全息图来逡逑产生Ｂｅｓｓｅｌ光束［４８］。他们对此进行了详细的理论推导，提出用于产生Ｂｅｓｓｅｌ光束所需的全逡逑息图编码和加工图案，并采用相位四等级量化和二元振幅的全息图在实验中演示了任意阶逡逑的Ｂｅｓｓｅｌ光束的产生。这种经过特殊制作的全怠图
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O436

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