【摘要】：1987年,I)urnin首次提出零階Bessel光束是自由空間標(biāo)量波動(dòng)方程的一組特解,這種光束的橫向光場(chǎng)分布表現(xiàn)為一個(gè)中心光斑與一系列同心圓環(huán),并且不隨傳輸距離發(fā)生變化,即使遇到不透明障礙物也能夠自我修復(fù)。在過(guò)去幾十年,Bessel光束這種獨(dú)特的無(wú)衍射和自修復(fù)特性一直吸引著國(guó)內(nèi)外研究人員的高度關(guān)注,并在諸多領(lǐng)域里得到應(yīng)用,例如光學(xué)準(zhǔn)直與成像、粒子微操控、激光微加工和非線性光學(xué)等。盡管如此,現(xiàn)有的關(guān)于Bessel光束的理論和方法仍然存在許多問(wèn)題和不足。因此,相關(guān)研究工作仍然是光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本論文主要對(duì)Bessel光束的機(jī)理與方法進(jìn)行系統(tǒng)研究,提出了一些新理論和新方法。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：基于衍射積分理論系統(tǒng)地研究了Bessel光束的產(chǎn)生機(jī)理,分別從理論和實(shí)驗(yàn)分析了環(huán)縫-透鏡法和軸錐鏡法所產(chǎn)生的Bessel光束的傳輸特性。詳細(xì)討論了影響軸錐鏡產(chǎn)生Bessel光束特性的實(shí)際因素,包括入射光束的傾斜角度、軸錐鏡的頂點(diǎn)加工誤差、入射光束的橫向失配和入射光束的橢圓率等。研究結(jié)果表明,上述因素不但會(huì)影響B(tài)essel光束的軸上光強(qiáng)分布,還會(huì)影響其光斑形狀,在軸錐鏡的實(shí)際應(yīng)用中必須加以考慮。采用單個(gè)軸錐鏡產(chǎn)生的Bessel光束始于軸錐鏡尖端,工作距離很短,限制了其應(yīng)用范圍。為了克服上述缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了兩種緊湊型的軸錐鏡組合系統(tǒng),可用于產(chǎn)生大工作距離且參數(shù)可調(diào)諧的Bessel光束,為Bessel光束的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。介紹了激光與金屬材料相互作用的一般規(guī)律,基于一維雙溫方程分析了皮秒脈沖激光金屬燒蝕機(jī)理,理論推導(dǎo)獲得了軸錐鏡法產(chǎn)生的Bessel激光光束能量密度分布的解析表達(dá)式,它可以用來(lái)預(yù)測(cè)超短脈沖激光對(duì)金屬材料表面燒蝕所需的激光能量和燒蝕寬度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究皮秒Bessel激光光束對(duì)金屬材料的表面燒蝕,驗(yàn)證了其在激光加工的優(yōu)越性�；跁r(shí)域有限差分算法,提出三種采用光子納米噴射技術(shù)產(chǎn)生Bessel光束的方法。首先設(shè)計(jì)了一種液浸核殼介質(zhì)微球結(jié)構(gòu)用于產(chǎn)生超長(zhǎng)光子納米噴射。其次提出了采用微型軸錐鏡的方法產(chǎn)生光子納米噴射。研究發(fā)現(xiàn),與同等尺寸的介質(zhì)微球相比,微型軸錐鏡不但可以保持亞波長(zhǎng)的噴射光束寬度,還具有更長(zhǎng)的噴射長(zhǎng)度。最后分析了橢球粒子的光子納米噴射特性,研究結(jié)果表明,可以通過(guò)改變橢球粒子的橢圓率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其光子納米噴射特性的靈活調(diào)控。
【圖文】：

（１）環(huán)縫－透鏡法逡逑環(huán)縫－透鏡法是１９８７年由Ｄｕｍｉｎ提出的一種產(chǎn)生Ｂｅｓｓｅｌ光來(lái)的簡(jiǎn)易方法其實(shí)驗(yàn)裝置逡逑如圖１．１所示。將一個(gè)環(huán)形狹縫置于一個(gè)會(huì)聚透鏡的前焦平面上，然后使用一宋單色平面逡逑光照射環(huán)形狹縫，，則在透鏡的后方可Ｗ獲得Ｂｅｓｓｅｌ光宋。逡逑一逡逑二逡逑一一逡逑圖１．１環(huán)縫－透鏡法產(chǎn)生Ｂｅｓｓｅｌ光束示意圖Ｗ。逡逑在圖１．１中，Ｂｅｓｓｅｌ光宋衍射角可Ｗ表示為逡逑０＝ｔａｎ＇邋－＾１邐（１．邋１）逡逑Ｕ／Ｊ逡逑其中，巧ｆ形狹縫的直徑，／為透鏡的焦距。因此，Ｂｅｓｓｅｌ光宋的最大傳輸距離表示為逡逑Ｚ邋＝巡邐（１．２）逡逑ｍａｘ邋ｄ逡逑上式中７？為透鏡的半徑。Ｄｕｍｉｎ在實(shí)驗(yàn)中證明，當(dāng)透鏡的孔徑遠(yuǎn)大于Ｂｅｓｓｅｌ光宋的中記、光斑逡逑尺寸時(shí)，Ｂｅｓｓｅｌ光束的傳輸距離也將遠(yuǎn)大于Ｇａｕｓｓｉａｎ光宋的Ｒａｙｌｅｉｇｈ長(zhǎng)度。逡逑３逡逑

圖１．２環(huán)縫－透鏡法產(chǎn)生的Ｂｅｓｓｅｌ光宋。（ａ）光強(qiáng)與傳輸距離的關(guān)系；（的實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論計(jì)算逡逑結(jié)果比較［４］。逡逑圖１．２為Ｄｕｍｉｎ的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果圖。其中圖１．２（ａ）中的實(shí)線表示Ｂｅｓｓｅｌ逡逑光強(qiáng)與光束的傳輸距離的關(guān)系，虛線表示的是Ｇａｕｓｓｉａｎ光宋的光強(qiáng)與傳輸距離的關(guān)系，從逡逑圖中可１；＾看到，采用環(huán)縫－透鏡法產(chǎn)生的Ｂｅｓｓｅｌ光束傳輸了大約８０ｃｍ后光_5開(kāi)始下降；而逡逑Ｇａｕｓｓｉａｎ光宋傳輸了大約１０ｃｍ強(qiáng)度就迅速下降了。圖１．２（ｂ）是實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬比逡逑較圖，從中可Ｗ清楚看到，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果大致吻合。環(huán)縫－透鏡法是一種逡逑產(chǎn)生Ｂｅｓｓｅｌ光束的簡(jiǎn)易方法，但是由于只有很少的一部分光通過(guò)環(huán)形狹縫，因此采用環(huán)縫－逡逑透鏡法產(chǎn)生Ｂｅｓｓｅｌ光宋的效率非常低。逡逑（２）計(jì)算全息法逡逑１９８９年，Ｖａｓａｒａ等在Ｄｕｍｉｎ的王作基礎(chǔ)上提出采用激化器和計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的全息圖來(lái)逡逑產(chǎn)生Ｂｅｓｓｅｌ光束［４８］。他們對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)，提出用于產(chǎn)生Ｂｅｓｓｅｌ光束所需的全逡逑息圖編碼和加工圖案，并采用相位四等級(jí)量化和二元振幅的全息圖在實(shí)驗(yàn)中演示了任意階逡逑的Ｂｅｓｓｅｌ光束的產(chǎn)生。這種經(jīng)過(guò)特殊制作的全怠圖
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O436

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本文編號(hào)：2581678