【摘要】：學(xué)位論文主要研究了像散貝塞爾光束及部分相干螺旋貝塞爾光束的形成與光學(xué)特性。在第一部分中,論文分別研究了軸棱錐器件加工誤差以及像散對貝塞爾光束質(zhì)量的影響,其中著重研究了像散對高階貝塞爾光束的影響,并由此提出了一種基于像散原理檢測渦旋光拓?fù)潆姾蓴?shù)的新方法。在第二部分中,研究了部分相干螺旋貝塞爾光束的形成及其在自由空間中的傳輸特性,并探討了光場調(diào)控對其傳輸特性的影響。具體內(nèi)容可分為如下幾點(diǎn):1.提出了一種軸棱錐誤差加工結(jié)構(gòu),理論推導(dǎo)了頂點(diǎn)離軸加工誤差軸棱錐的透過率函數(shù)�；诨莞�-菲涅耳衍射積分理論和穩(wěn)相原理,導(dǎo)出頂點(diǎn)離軸軸棱錐后的衍射光場表達(dá)式,分析了頂點(diǎn)離軸加工誤差對貝塞爾光束的影響。對頂點(diǎn)離軸軸棱錐后衍射光場進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:當(dāng)為理想加工軸棱錐時(shí),軸棱錐后的光場分布為近似理想Bessel光束。當(dāng)存在加工誤差時(shí),衍射光斑對半分離。2.利用螺旋相位板-軸棱錐系統(tǒng)可以產(chǎn)生高階Bessel光束。基于基爾霍夫衍射積分理論,推導(dǎo)了渦旋光斜入射軸棱錐后的衍射光場表達(dá)式。分析了光束斜入射引起的像散對軸棱錐聚焦渦旋光產(chǎn)生高階Bessel光束的影響。結(jié)果表明當(dāng)軸棱錐出現(xiàn)較小角度的偏轉(zhuǎn)時(shí),所產(chǎn)生的高階Bessel光束出現(xiàn)中心亮環(huán)橢圓化;隨著偏轉(zhuǎn)角的增加,中心環(huán)橢圓率增大,并伴有暗核分裂的現(xiàn)象;繼續(xù)增大偏轉(zhuǎn)角,光斑將發(fā)生由內(nèi)至外的亮環(huán)破裂現(xiàn)象,最終形成具有點(diǎn)陣列結(jié)構(gòu)的焦散光束。設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。3.基于基爾霍夫衍射積分理論,分別推導(dǎo)了渦旋光斜入射軸棱錐與凸透鏡后的衍射光場表達(dá)式。提出了一種利用軸棱錐檢測光束拓?fù)潆姾蓴?shù)信息的簡單可行方案。將此方案與凸透鏡聚焦斜入射渦旋光方案作出對比,研究結(jié)果表明應(yīng)用軸棱錐聚焦斜入射渦旋光檢測拓?fù)潆姾蓴?shù)信息的方式無需對檢測點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格定標(biāo),實(shí)際檢測工作中該方案更具備靈活性,適用性也更為廣泛。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)與理論基本吻合。4.理論分析了螺旋貝塞爾光束的產(chǎn)生機(jī)理。根據(jù)高斯-謝爾模型的交叉譜密度公式及交叉譜密度傳播理論,推導(dǎo)得出了部分相干螺旋貝塞爾光束的表達(dá)式。研究了部分相干螺旋貝塞爾光束的傳輸特性及相干度對其傳輸特性的影響。結(jié)果表明,隨著傳輸距離的增加,光束截面光強(qiáng)分布襯比度逐漸下降,光場分布由貝塞爾型分布逐漸向高斯型分布轉(zhuǎn)變,但是光束仍具備螺旋自加速特性;對于高階光束,出現(xiàn)了暗核消退現(xiàn)象,并且暗核消退距離隨階數(shù)的增加而增加。隨著相干長度的下降,貝塞爾光場分布區(qū)間逐漸減小,光束的無衍射距離縮短。同時(shí),探討了光場調(diào)控對光束的影響,其中包括了全息片的參數(shù)設(shè)定以及光場相干度的調(diào)節(jié)。
【圖文】：

1 1 1E ( x , y , z) 、2 2 2E ( x , y , z) 分別為波源面上的初始光場復(fù)振幅和觀察面上的復(fù)振幅分布，1 cos( )2+θ為傾斜因子。當(dāng)滿足菲涅耳傍軸近似2 1 2 1z x x ,y y，(2.21)式可進(jìn)一步簡化為菲涅耳積分形式：2 2 2 1 1 12 22 1 2 1 1 1( , , ) ( ) exp( ) ( , , 0)exp{ [( ) ( ) ]}2iE x y z ikz E x yzikx x y y dx dyzλ= × + (2.22)2.3.2 交叉譜密度的傳輸對于準(zhǔn)單色部分相干光的傳輸可以采用交叉譜密度傳輸理論進(jìn)行描述。如圖 2.2 所示， x ' y'為場源平面，x y為觀察面，它們之間的間距為 z。

無衍射貝塞爾光束自提出以來便頗受關(guān)注，各種關(guān)于其產(chǎn)生方法的研究更是如雨后春筍般涌現(xiàn)。其中，軸棱錐法因其眾多的優(yōu)良特性而獨(dú)占鰲頭，在光學(xué)領(lǐng)域備受推崇，并且對其研究應(yīng)用至今仍是一項(xiàng)熱門課題。在本章中，我們通過研究軸棱錐器件的幾何架構(gòu)后，提出了一種加工誤差現(xiàn)象。并對其光學(xué)特性進(jìn)行研究，探討了加工誤差對貝塞爾光束的影響。3.1 透過率函數(shù)推導(dǎo)圖 3.1 給出了理想軸棱錐(a)和帶有頂點(diǎn)離軸誤差的軸棱錐(b)三維幾何示意圖。依據(jù)幾何知識可以知道，當(dāng)軸棱錐不存在頂點(diǎn)離軸加工誤差時(shí)，其底角γ不隨底面方位角 的變化而變化；當(dāng)存在頂點(diǎn)離軸加工誤差時(shí)，底角γ將是頂點(diǎn)離軸距離ε和底面方位角 的函數(shù)。圖 1(b)中，OB = R，OC = ε, CD = h，BC = l，∠ AO B = ，∠ CBD = γ。其中 R 為軸棱錐底面圓半徑，ε為頂點(diǎn)離軸距離，h為軸棱錐頂點(diǎn)到底面的厚度， 為底面方位角， γ 為軸棱錐底角。
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O436

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2700961