艾里光束具有無(wú)衍射、自愈以及其獨(dú)有的自彎曲性質(zhì),近年來(lái)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(qiáng)為零,在此處形成一個(gè)暗核,它能夠無(wú)損傷地捕獲粒子,同時(shí)渦旋光束還攜帶軌道角動(dòng)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(jià)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(guò)在艾里光束立方相位的基礎(chǔ)上,疊加一個(gè)螺旋相位,得到立方螺旋相位,進(jìn)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(cuò),得到初始場(chǎng)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(guò)模擬與實(shí)驗(yàn)觀察該光束的傳播特性,發(fā)現(xiàn)艾里渦旋光束在傳輸過(guò)程中,光學(xué)渦旋不會(huì)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(shí)主瓣與光學(xué)渦旋的相對(duì)位置會(huì)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(wèn)題,基于其自彎曲的特性,提出一種具有對(duì)稱(chēng)性質(zhì)的四艾里自聚焦光束。同樣對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制,在立方相位的基礎(chǔ)上,對(duì)其取絕對(duì)值操作,得到對(duì)稱(chēng)艾里光束。此時(shí),再將螺旋相位加入到對(duì)稱(chēng)立方相位中,并且通過(guò)改變對(duì)稱(chēng)立方相位與螺旋相位的相對(duì)位置得到對(duì)稱(chēng)艾里渦旋光束的兩種形式,即軸向型和離軸型。通過(guò)模擬與實(shí)驗(yàn),研究軸向型和離軸型對(duì)稱(chēng)艾里渦旋光束的傳播特性。發(fā)現(xiàn)光束會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)聚焦現(xiàn)象,且軸向型光束中心會(huì)在初始平面出現(xiàn)暗核,同時(shí)光束會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn),而離軸型光束在傳播過(guò)程中渦旋會(huì)出現(xiàn)在主瓣中心,形成暗核。接著,為了獲得初始光場(chǎng)可控的對(duì)稱(chēng)艾里渦旋光束,在對(duì)稱(chēng)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(chǎng)的對(duì)稱(chēng)艾里渦旋光束。線性因子大于零時(shí),光束四個(gè)艾里主瓣均沿著光軸向內(nèi)傳播;線性因子小于零時(shí),光束四個(gè)艾里主瓣均遠(yuǎn)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(zhǎng)這三個(gè)參量對(duì)光束的影響。衰減系數(shù)越大,得到的對(duì)稱(chēng)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(shí)寬度越窄;波長(zhǎng)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：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(dòng)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(lèi)似的艾里函數(shù)無(wú)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(dá)式為[62]：301 1Ai( )= cos dπ 3x t xt t 表示一維無(wú)衍射的自加速艾里光束沿光軸傳播的光強(qiáng)示意圖。從圖中到，在傳播過(guò)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(guò)程中，艾里光束會(huì)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(chēng)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(gè)大于零的正常數(shù)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1，添加衰減因子后的艾里光束其尾瓣會(huì)發(fā)生衰減，從而可以實(shí)驗(yàn)得到具有這種特殊現(xiàn)象的光束，此時(shí)，有限能量的艾里解隨傳輸距離變化的表達(dá)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(guò)程中對(duì)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(shí) 1000x μm。很顯然，與圖 2.1 中無(wú)窮大能量的艾里光束相比，圖 2.2 中的艾里光束在傳輸過(guò)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(jìn)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(xiàng)。他參數(shù)都不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)0x 和0y 這兩個(gè)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(shí)a取 0.03，可以得到如維艾里光束的橫截面光場(chǎng)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(chǎng)分布。從左右兩幅圖中可以看出，艾里光束經(jīng)過(guò)輸，其形狀和能量基本保持不變，并且沿著y xs s方向進(jìn)行傳播。
【相似文獻(xiàn)】

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