部分相干空心光束及焦散光束的研究

摘要

学位论文主要研究了部分相干空心光束与焦散光束的形成及其光学特性。文中设计了几种产生部分相干空心光束和焦散光束的实验方案，并讨论了空间相干性对空心光束和焦散光束的形成及传输特性的影响；此外，还对空心光束的自愈性及焦散光束的光谱特性进行了系统的研究。具体内容可分为以下几个部分：
　　1．提出了一种产生部分相干周期性Bottle beam的实验方案。实验上用旋转毛玻璃和光阑把激光变成部分相干光，再经过双轴棱锥系统把一束平行光变成两束同频率但径向波矢分量不同的部分相干贝塞尔光束，相干叠加产生了部分相干的周期性Bottle beam。通过干涉理论与实验结果相互佐证，得出Bottle beam的周期为2.5mm。进一步通过光阑控制入射光场的相干度，讨论相干度对周期性Bottle beam的影响。结果显示，Bottle beam中心暗斑与周围光强的衬比度会随着相干度的降低而降低，但Bottle beam的周期及中心暗域尺寸等参量均不受影响。
　　2．研究了贝塞尔-谢尔模型光束的线聚焦特性。发现贝塞尔-谢尔模型光束经过轴棱锥后会产生具有重建特性的空心光束，且空心光束的尺寸会随着传输距离的增加而逐渐变大。基于贝塞尔-谢尔模型光束的线聚焦特性，设计一套利用环缝精确调控空心光束的光学系统。该系统主要通过环缝控制非相干环形光源的尺寸，对贝塞尔-谢尔模型光场的空间相干性进行调制,从而实现对空心光束尺寸的精确调控。该研究成果将为不同尺寸粒子的微操控提供有力的手段。
　　3．首次引入交叉谱密度函数描述焦散光束，将焦散光束的研究范围从相干拓展到部分相干光领域。并结合菲涅耳-基尔霍夫衍射理论，导出焦散光束在自由空间中的传输公式。讨论了轴棱锥像散对部分相干焦散光束的影响，并设计相关实验进行了验证。进一步研究入射光场相干度对焦散光束的影响，发现随着空间相干长度的降低，焦散光斑的明暗分布会慢慢变模糊，且光束的聚焦光强会逐渐向中心收缩。
　　4．采用准单色LED光源照射有一定倾角轴棱锥的方式，在实验上首次产生了LED焦散光束。通过调节轴棱锥的倾角引入像散，获得焦散光束沿轴向传输的光强分布，并讨论像散对LED焦散光束传输特性的影响。进一步通过更换准单色LED光源，研究了LED焦散光束的光谱特性。

目录

声明

第1章 引言

1.1 研究背景与现状

1.2 论文各章节的内容安排

第2章 理论基础

2.1 部分相干光理论

2.2 部分相干光的传输理论

2.3 部分相干光束模型

2.4 贝塞尔光束的理论基础

第3章部分相干周期Bottle beam的特性

3.1 理论分析

3.2 数值模拟

3.3 实验结果

3.4 本章小结

第4章 轴棱锥聚焦JSM光束产生空心光束及其应用

4.1 理论分析

4.2 模拟仿真

4.3 实验验证

4.4 空心光束尺寸的精确调控

4.5 本章小结

第5章 部分相干焦散光束的相干特性

5.1 理论分析

5.2 数值模拟

5.3 实验设计与结果分析

5.4 本章小结

第6章 LED焦散光束的光学特性

6.1 理论分析

6.2 数值模拟

6.3 实验设计与结果分析

6.4 本章小结

第7章 总结

7.1 本文的主要结论

7.2 本文的创新点

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果