【摘要】：1987年,I)urnin首次提出零階Bessel光束是自由空間標量波動方程的一組特解,這種光束的橫向光場分布表現(xiàn)為一個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)。在過去幾十年,Bessel光束這種獨特的無衍射和自修復(fù)特性一直吸引著國內(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,例如光學準直與成像、粒子微操控、激光微加工和非線性光學等。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題和不足。因此,相關(guān)研究工作仍然是光學領(lǐng)域的研究熱點。本論文主要對Bessel光束的機理與方法進行系統(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)生機理,分別從理論和實驗分析了環(huán)縫-透鏡法和軸錐鏡法所產(chǎn)生的Bessel光束的傳輸特性。詳細討論了影響軸錐鏡產(chǎn)生Bessel光束特性的實際因素,包括入射光束的傾斜角度、軸錐鏡的頂點加工誤差、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,上述因素不但會影響B(tài)essel光束的軸上光強分布,還會影響其光斑形狀,在軸錐鏡的實際應(yīng)用中必須加以考慮。采用單個軸錐鏡產(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,設(shè)計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理,理論推導獲得了軸錐鏡法產(chǎn)生的Bessel激光光束能量密度分布的解析表達式,它可以用來預(yù)測超短脈沖激光對金屬材料表面燒蝕所需的激光能量和燒蝕寬度。通過實驗研究皮秒Bessel激光光束對金屬材料的表面燒蝕,驗證了其在激光加工的優(yōu)越性�；跁r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)計了一種液浸核殼介質(zhì)微球結(jié)構(gòu)用于產(chǎn)生超長光子納米噴射。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的噴射光束寬度,還具有更長的噴射長度。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,可以通過改變橢球粒子的橢圓率來實現(xiàn)對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光來的簡易方法其實驗裝置逡逑如圖１．１所示。將一個環(huán)形狹縫置于一個會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在實驗中證明，當透鏡的孔徑遠大于Ｂｅｓｓｅｌ光宋的中記、光斑逡逑尺寸時，Ｂｅｓｓｅｌ光束的傳輸距離也將遠大于Ｇａｕｓｓｉａｎ光宋的Ｒａｙｌｅｉｇｈ長度。逡逑３逡逑

圖１．２環(huán)縫－透鏡法產(chǎn)生的Ｂｅｓｓｅｌ光宋。（ａ）光強與傳輸距離的關(guān)系；（的實驗測量與理論計算逡逑結(jié)果比較［４］。逡逑圖１．２為Ｄｕｍｉｎ的數(shù)值模擬結(jié)果和實驗測量結(jié)果圖。其中圖１．２（ａ）中的實線表示Ｂｅｓｓｅｌ逡逑光強與光束的傳輸距離的關(guān)系，虛線表示的是Ｇａｕｓｓｉａｎ光宋的光強與傳輸距離的關(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開始下降；而逡逑Ｇａｕｓｓｉａｎ光宋傳輸了大約１０ｃｍ強度就迅速下降了。圖１．２（ｂ）是實驗測量結(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)果和實驗測量結(jié)果大致吻合。環(huán)縫－透鏡法是一種逡逑產(chǎn)生Ｂｅｓｓｅｌ光束的簡易方法，但是由于只有很少的一部分光通過環(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算機所產(chǎn)生的全息圖來逡逑產(chǎn)生Ｂｅｓｓｅｌ光束［４８］。他們對此進行了詳細的理論推導，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，并采用相位四等級量化和二元振幅的全息圖在實驗中演示了任意階逡逑的Ｂｅｓｓｅｌ光束的產(chǎn)生。這種經(jīng)過特殊制作的全怠圖
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O436

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本文編號：2581678