艾里光束具有無衍射、自愈以及其獨有的自彎曲性質(zhì),近年來在光學(xué)界掀起了研究熱潮。具有橫向加速度的艾里光束被廣泛應(yīng)用于微粒清掃、微粒捕獲、等離子體通道、光子彈以及醫(yī)學(xué)治療等眾多領(lǐng)域。渦旋光束具有螺旋形的相位分布,中心光強為零,在此處形成一個暗核,它能夠無損傷地捕獲粒子,同時渦旋光束還攜帶軌道角動量,能使被捕獲的粒子發(fā)生旋轉(zhuǎn),這在光學(xué)微操縱、量子通信等領(lǐng)域都有應(yīng)用價值。本文基于艾里光束與渦旋光束各自的特性,提出一種艾里渦旋光束。主要工作如下:首先,通過在艾里光束立方相位的基礎(chǔ)上,疊加一個螺旋相位,得到立方螺旋相位,進而產(chǎn)生艾里渦旋光束。改變立方相位與螺旋相位之間的位錯,得到初始場不同的艾里渦旋光束,即光學(xué)渦旋加載在艾里光束的不同位置,并通過模擬與實驗觀察該光束的傳播特性,發(fā)現(xiàn)艾里渦旋光束在傳輸過程中,光學(xué)渦旋不會影響艾里光束的傳輸軌跡,其主瓣依舊遵循拋物線軌跡,同時主瓣與光學(xué)渦旋的相對位置會隨著傳播距離的增加逐漸加大。其次,為了改善艾里光束能量分布不均勻的問題,基于其自彎曲的特性,提出一種具有對稱性質(zhì)的四艾里自聚焦光束。同樣對相位進行調(diào)制,在立方相位的基礎(chǔ)上,對其取絕對值操作,得到對稱艾里光束。此時,再將螺旋相位加入到對稱立方相位中,并且通過改變對稱立方相位與螺旋相位的相對位置得到對稱艾里渦旋光束的兩種形式,即軸向型和離軸型。通過模擬與實驗,研究軸向型和離軸型對稱艾里渦旋光束的傳播特性。發(fā)現(xiàn)光束會出現(xiàn)自動聚焦現(xiàn)象,且軸向型光束中心會在初始平面出現(xiàn)暗核,同時光束會發(fā)生旋轉(zhuǎn),而離軸型光束在傳播過程中渦旋會出現(xiàn)在主瓣中心,形成暗核。接著,為了獲得初始光場可控的對稱艾里渦旋光束,在對稱立方相位的基礎(chǔ)上引入線性因子c,不同數(shù)值的線性因子可以得到不同初始場的對稱艾里渦旋光束。線性因子大于零時,光束四個艾里主瓣均沿著光軸向內(nèi)傳播;線性因子小于零時,光束四個艾里主瓣均遠離光軸向外傳播。最后,討論衰減系數(shù)、尺度參數(shù)以及波長這三個參量對光束的影響。衰減系數(shù)越大,得到的對稱艾里渦旋光束的能量越弱;尺度參數(shù)越大,光束的彎曲程度越小,同時寬度越窄;波長越大,光束的傳輸軌跡越陡峭,其自聚焦位置也相應(yīng)前移。
【學(xué)位單位】：浙江師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O436
【部分圖文】：

2 艾里光束的特性及其產(chǎn)生方法軸衍射波動方程與薛定諤方程在形式上是一致的，所以在理論上，方式類似的艾里函數(shù)無衍射解[2]，即：23i( , ) Ai exp i2 2 12s s s 示艾里函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達式為[62]：301 1Ai( )= cos dπ 3x t xt t 表示一維無衍射的自加速艾里光束沿光軸傳播的光強示意圖。從圖中到，在傳播過程中，艾里光束主瓣（即圖中顏色值為紅色部分）與旁變。另外還發(fā)現(xiàn)，在傳播過程中，艾里光束會發(fā)生二次曲線的橫向偏是一條拋物線，我們將這一現(xiàn)象稱為該光束具有自彎曲性質(zhì)。

2 艾里光束的特性及其產(chǎn)生方法其中，a是一個大于零的正常數(shù)，且遠遠小于 1，添加衰減因子后的艾里光束其尾瓣會發(fā)生衰減，從而可以實驗得到具有這種特殊現(xiàn)象的光束，此時，有限能量的艾里解隨傳輸距離變化的表達式如下[2]：22 3 2( , ) exp( )2 2 12 2 2a i ia iss Ai s ia as (2.7)從圖 2.2 左右兩張圖中可以看出，不同的衰減系數(shù)a在傳輸過程中對艾里光束尾瓣的影響不同，這里，圖 2.2(a)中 a 0.01，圖 2.2(b)中 a 0.05，此時 1000x μm。很顯然，與圖 2.1 中無窮大能量的艾里光束相比，圖 2.2 中的艾里光束在傳輸過程中，能量有一定的衰減，并且衰減系數(shù)a越大，其衰減程度越明顯。

(2.4)進行傅里葉變換，在歸一化的k空間中得到艾里光束的傅里葉頻譜形2 3 2 30i( ) exp( )exp[ ( 3 i )]3 k a k k a k a式可以看出，艾里光束的頻譜呈現(xiàn)高斯型分布，由于 a 值很小，所以可以，這里只關(guān)注三次方項。他參數(shù)都不變的情況下，通過調(diào)節(jié)0x 和0y 這兩個參數(shù)可以改變二維艾里光艾里光束主瓣的大小。當(dāng) 0.0600x y mm，此時a取 0.03，可以得到如維艾里光束的橫截面光場分布情況，其中圖 2.3(a)是 0即初始平面處的 2.3(b)是 100處的光場分布。從左右兩幅圖中可以看出，艾里光束經(jīng)過輸，其形狀和能量基本保持不變，并且沿著y xs s方向進行傳播。
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