【摘要】：無衍射光束其橫截面光場分布服從第一類零階貝塞爾函數(shù)形式,在自由空間中始終保持焦點(diǎn)狀態(tài)傳輸,其光束強(qiáng)度及尺寸不隨傳輸距離而改變,且遇到障礙物后能在較短傳輸距離內(nèi)進(jìn)行自我修復(fù)迅速恢復(fù)至原有光學(xué)特性。因此,在激光微加工、光學(xué)準(zhǔn)直與成像、光學(xué)精密檢測、光學(xué)微操縱等領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用。但目前針對無衍射光束的研究主要集中于單級無衍射光束,相比而言雙級或多級無衍射光束不僅具有單級優(yōu)點(diǎn),更在生物醫(yī)學(xué)、原子物理等領(lǐng)域顯現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景�；诖�,本文將對無衍射光束從單級到多級的形成機(jī)理、方法及其影響因素展開研究,主要研究內(nèi)容包括如下幾個方面:無衍射光束的基礎(chǔ)理論研究:包括幾何光學(xué)理論和衍射光學(xué)理論�；趲缀喂鈱W(xué)理論和軸錐鏡法,詳細(xì)推導(dǎo)了從單級到多級無衍射光束生成過程中,其最大無衍射傳輸距離和中心光斑尺寸與入射波長、錐鏡底角、錐鏡半徑、錐鏡折射率的關(guān)系。基于菲涅耳衍射理論,結(jié)合“子波相干疊加”數(shù)學(xué)積分及穩(wěn)相法原理,推導(dǎo)了平面波垂直入射至軸棱錐透鏡后其空間光場分布的積分表達(dá)式,數(shù)值模擬了無衍射光束其軸上光強(qiáng)分布、徑向光強(qiáng)分布以及沿軸向不同傳輸距離處橫向光強(qiáng)分布。在此基礎(chǔ)上,將單級錐鏡擴(kuò)展至雙級或多級,進(jìn)而生成雙級或多級無衍射光束,重點(diǎn)探究了在衍射場中干涉疊加區(qū)其光強(qiáng)耦合分布情況,結(jié)合塔爾博特效應(yīng)詳細(xì)分析了其振蕩周期和生成局域空心光束的演變過程。無衍射光束的傳輸與轉(zhuǎn)換研究:包括單級、雙級、多級錐鏡的傳輸與轉(zhuǎn)換,以及光束斜入射、障礙物遮擋-光束自重構(gòu)、望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的傳輸與轉(zhuǎn)換等。基于軸錐鏡法,從理論推導(dǎo)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試分析了準(zhǔn)直激光束垂直入射至單級、雙級和多級錐鏡后無衍射光束的傳輸轉(zhuǎn)換特性,重點(diǎn)分析了單級與多級無衍射光束在干涉重疊區(qū)的生成差異。與此同時,探究了準(zhǔn)直激光束以一定傾角入射至錐鏡后無衍射光束的傳輸特性,得到了入射傾角大小對光束光斑分裂程度的影響關(guān)系。基于巴比涅原理和能量流動角度,系統(tǒng)探究了無衍射光束在傳輸過程中受障礙物遮擋光束自恢復(fù)自重構(gòu)的過程,得到了障礙物尺寸大小對自恢復(fù)過程的影響關(guān)系�；谳S錐鏡法搭載望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)透鏡焦距實(shí)現(xiàn)了基于一種錐鏡生成參數(shù)可控的無衍射光束系統(tǒng)構(gòu)建,得到了新的無衍射光束特性與望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)透鏡參數(shù)變換的關(guān)系,減小了原有無衍射光束傳播特性取決于光學(xué)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的限制程度。無衍射光束生成的影響研究:包括錐鏡底角和半徑等幾何參數(shù)、入射波長和錐鏡折射率等物理參數(shù)、以及生成過程中錐鏡加工偏差對其傳播特性的影響研究�；谳S錐鏡法,從理論推導(dǎo)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試分析了入射激光波長、錐鏡底角、錐鏡半徑、錐鏡折射率等基本參數(shù)對無衍射光束空間光場分布、光強(qiáng)大小的影響關(guān)系,對比分析了現(xiàn)有五種主要的生成無衍射光束方式差異性。基于錐鏡加工工藝,構(gòu)建了錐鏡橫截面加工對稱偏離和非對稱偏離模型,在對稱偏離中建立了母線內(nèi)凹、母線外凸、雙曲線圓頂?shù)儒F鏡模型,基于錐鏡表面輪廓推導(dǎo)了其振幅透過率函數(shù),模擬了各加工偏離形式對無衍射光束光場分布、光強(qiáng)大小及傳輸特性的影響。在非對稱加工偏離中,建立了加工偏離量隨錐鏡方位角的變化關(guān)系,進(jìn)而推導(dǎo)了其振幅透過率函數(shù),結(jié)合菲涅爾衍射理論對比分析了對稱與非對稱加工偏離的差異性。本研究為分析軸棱錐透鏡錐面加工誤差對無衍射光束傳播特性的影響提供了理論基礎(chǔ),同時,對進(jìn)一步完善無衍射光束衍射場理論,拓寬其工程應(yīng)用范圍等具有重要的指導(dǎo)意義。綜合上述分析,本課題系統(tǒng)研究了無衍射光束從單級、雙級到多級的形成機(jī)理、傳輸與轉(zhuǎn)換、生成影響等綜合因素,為無衍射光束在實(shí)際工程中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ),對參數(shù)可控?zé)o衍射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化及評價具有重要的指導(dǎo)意義。
【圖文】：

圖 1-20 第一類貝塞爾函數(shù)曲線分布圖Fig. 1-20 Curve distribution of the First kind of Bessel Function.-20 第一類 Bessel 函數(shù)分布，易知一階 Bessel 函數(shù)曲線起始點(diǎn)為大小為零，即一階 Bessel 光束其光斑中心區(qū)域?yàn)榘蛋�。同時，各階次零點(diǎn)分布，如表 1-1 所示：表 1-1 第一類貝塞爾函數(shù)零點(diǎn)分布表Table. 1-1 Zero-point distribution table of the first kind of Bessel function 函數(shù)階次 零點(diǎn) 1 零點(diǎn) 2 零點(diǎn) 3 零點(diǎn) 4 零點(diǎn) 5 J0(x) 2.4048 5.5201 8.6537 11.7915 14.9309 J1(x) 3.8317 7.0156 10.1735 13.3237 16.4706 J2(x) 5.1356 8.4172 11.6198 14.7960 17.9598 J3(x) 6.3802 9.7610 13.0152 16.2235 19.4094 essel 函數(shù)一階零點(diǎn)分布，知中心光斑大小為 3.8317/ ，其據(jù)各零點(diǎn)分布依次求出。同時，對于階次 m 2、 3，也可作類似l 光束光場分布表達(dá)式（1-14），分析在場函數(shù)為 E ( r , , z 0)時

光強(qiáng)分布（衰減因子 為0.05）[151](a) Propagation trajectory and intensity distribution of ideal Airy beam：(b) y and intensity distribution of finite energy Airy beam (attenuation factor is -10 所示，理論無衍射 Airy 光束和作切趾處理的有限能量 Air分：包括主瓣（運(yùn)動傳播過程中最亮軌跡）和若干旁瓣（除主量比較集中，對比旁瓣存在明顯的光強(qiáng)勢阱能梯度分布，進(jìn)而易發(fā)現(xiàn)，其傳輸軌跡不同于理想無衍射 Bessel 光束的直線傳播的運(yùn)動偏移，類似于圓周加速度運(yùn)動，國內(nèi)外學(xué)者將這種現(xiàn)象的橫向自加速性質(zhì)。由圖中運(yùn)動軌跡可知，Airy 光束經(jīng)過長距保持不變，表現(xiàn)出良好的“無衍射”特性。維 Airy 光束的生成理論iry 光束由二維傍軸衍射波動方程生成，可認(rèn)為是兩個關(guān)于橫乘而來。則二維 Airy 光束波包形式為：0 0 1 2 Ai ( x / x ) Ai ( y / y ) exp( x / w )exp( y / w)可通過數(shù)值模擬仿真得到其光強(qiáng)分布：
【學(xué)位授予單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O436

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本文編號：2688787