【摘要】：無(wú)衍射光束其橫截面光場(chǎng)分布服從第一類(lèi)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(cè)、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(duì)無(wú)衍射光束的研究主要集中于單級(jí)無(wú)衍射光束,相比而言雙級(jí)或多級(jí)無(wú)衍射光束不僅具有單級(jí)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(duì)無(wú)衍射光束從單級(jí)到多級(jí)的形成機(jī)理、方法及其影響因素展開(kāi)研究,主要研究?jī)?nèi)容包括如下幾個(gè)方面:無(wú)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。基于幾何光學(xué)理論和軸錐鏡法,詳細(xì)推導(dǎo)了從單級(jí)到多級(jí)無(wú)衍射光束生成過(guò)程中,其最大無(wú)衍射傳輸距離和中心光斑尺寸與入射波長(zhǎng)、錐鏡底角、錐鏡半徑、錐鏡折射率的關(guān)系�；诜颇苌淅碚�,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(chǎng)分布的積分表達(dá)式,數(shù)值模擬了無(wú)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(jí)錐鏡擴(kuò)展至雙級(jí)或多級(jí),進(jìn)而生成雙級(jí)或多級(jí)無(wú)衍射光束,重點(diǎn)探究了在衍射場(chǎng)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(guò)程。無(wú)衍射光束的傳輸與轉(zhuǎn)換研究:包括單級(jí)、雙級(jí)、多級(jí)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�；谳S錐鏡法,從理論推導(dǎo)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析了準(zhǔn)直激光束垂直入射至單級(jí)、雙級(jí)和多級(jí)錐鏡后無(wú)衍射光束的傳輸轉(zhuǎn)換特性,重點(diǎn)分析了單級(jí)與多級(jí)無(wú)衍射光束在干涉重疊區(qū)的生成差異。與此同時(shí),探究了準(zhǔn)直激光束以一定傾角入射至錐鏡后無(wú)衍射光束的傳輸特性,得到了入射傾角大小對(duì)光束光斑分裂程度的影響關(guān)系�；诎捅饶砗湍芰苛鲃�(dòng)角度,系統(tǒng)探究了無(wú)衍射光束在傳輸過(guò)程中受障礙物遮擋光束自恢復(fù)自重構(gòu)的過(guò)程,得到了障礙物尺寸大小對(duì)自恢復(fù)過(guò)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(guò)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(wú)衍射光束系統(tǒng)構(gòu)建,得到了新的無(wú)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(wú)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(wú)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(zhǎng)和錐鏡折射率等物理參數(shù)、以及生成過(guò)程中錐鏡加工偏差對(duì)其傳播特性的影響研究。基于軸錐鏡法,從理論推導(dǎo)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析了入射激光波長(zhǎng)、錐鏡底角、錐鏡半徑、錐鏡折射率等基本參數(shù)對(duì)無(wú)衍射光束空間光場(chǎng)分布、光強(qiáng)大小的影響關(guān)系,對(duì)比分析了現(xiàn)有五種主要的生成無(wú)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(duì)稱(chēng)偏離和非對(duì)稱(chēng)偏離模型,在對(duì)稱(chēng)偏離中建立了母線(xiàn)內(nèi)凹、母線(xiàn)外凸、雙曲線(xiàn)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(guò)率函數(shù),模擬了各加工偏離形式對(duì)無(wú)衍射光束光場(chǎng)分布、光強(qiáng)大小及傳輸特性的影響。在非對(duì)稱(chēng)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(guò)率函數(shù),結(jié)合菲涅爾衍射理論對(duì)比分析了對(duì)稱(chēng)與非對(duì)稱(chēng)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(duì)無(wú)衍射光束傳播特性的影響提供了理論基礎(chǔ),同時(shí),對(duì)進(jìn)一步完善無(wú)衍射光束衍射場(chǎng)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(wú)衍射光束從單級(jí)、雙級(jí)到多級(jí)的形成機(jī)理、傳輸與轉(zhuǎn)換、生成影響等綜合因素,為無(wú)衍射光束在實(shí)際工程中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ),對(duì)參數(shù)可控?zé)o衍射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)意義。
【圖文】：

圖 1-20 第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)曲線(xiàn)分布圖Fig. 1-20 Curve distribution of the First kind of Bessel Function.-20 第一類(lèi) Bessel 函數(shù)分布，易知一階 Bessel 函數(shù)曲線(xiàn)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(shí)，各階次零點(diǎn)分布，如表 1-1 所示：表 1-1 第一類(lèi)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(shí)，對(duì)于階次 m 2、 3，也可作類(lèi)似l 光束光場(chǎng)分布表達(dá)式（1-14），分析在場(chǎng)函數(shù)為 E ( r , , z 0)時(shí)

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(wú)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(dòng)傳播過(guò)程中最亮軌跡）和若干旁瓣（除主量比較集中，對(duì)比旁瓣存在明顯的光強(qiáng)勢(shì)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(wú)衍射 Bessel 光束的直線(xiàn)傳播的運(yùn)動(dòng)偏移，類(lèi)似于圓周加速度運(yùn)動(dòng)，國(guó)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(dòng)軌跡可知，Airy 光束經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距保持不變，表現(xiàn)出良好的“無(wú)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(dòng)方程生成，可認(rèn)為是兩個(gè)關(guān)于橫乘而來(lái)。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(guò)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：O436

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本文編號(hào)：2688787