无衍射贝赛尔光束的传输与变换

摘要

“无衍射光束”由J. Durnin 于1987 年首次提出，它是自由空间标量波动方程的一组特殊解, 其场分布具有第一类零阶贝塞尔函数J0的形式。它们的特点是在无界的自由空间传播时，与传播方向垂直的每个平面上光场分布是保持相同的，并且具有高度的局域化强度分布，也就是说光束中电场强度的横向分布很集中，这类光场绝对不遭受到衍射扩展，Durnin将这种光束称为无衍射光束。这个概念提出之后即得到很多实验的验证及各个方面的应用。 本论文主要是探讨激光光束经过轴棱锥转换后产生的无衍射光束的传输特性和聚焦特性。论文中，我们基于惠更斯－菲涅耳衍射积分理论研究了由轴棱锥产生的贝塞尔光束的传输特性，并且通过几何光学解析无衍射光束的聚焦特性。实验采用He-Ne激光器和半导体激光器作为光源，使用体视数码显微镜和光束分析仪获得无衍射光束的横向光斑图，并且与理论的数值模拟结果进行对比，发现基本吻合。同时我们还采用胶片扫描的方法测量了无衍射光束的中心光斑尺寸，测量了不同光阑孔径和不同棱角情况下的最大无衍射距离和传播轴附近横截面内微小光孔中的光强，实验结果显示当激光光束经过轴棱锥转换后有一段距离功率变化很小，且分布近似贝塞尔分布，符合无衍射光束的特性；经过聚焦后，呈现三维分布中空的光束――bottle beam，实验结果与理论分析基本吻合。 由于无衍射光束的中心光斑尺寸很小，达到了μm量级，本论文的创新之处就是采用胶片扫描的方法精确测量了无衍射光束的中心光斑尺寸，并且经过分析发现，该方法测量的数据与理论分析基本吻合，克服了一般的光束分析仪精度不够、价格昂贵等缺点。