基于有限能量无衍射光束主峰的有效传输距离的表征研究

摘要

无衍射光束由于具有中心光斑直径小、光强高度集中及自恢复特性而在光通信、光学微操纵、精密测量等领域有很好的应用前景。然而无衍射光束拥有无限大能量而在实际中无法实现，但是在实验中我们已获得经有限孔径限制的近似无衍射光束，即有限能量无衍射光束。有限孔径决定了有限能量无衍射光束的传播距离不是很长而使其在光束定向、测距、准直等实际应用中受到限制。因此获得较小中心光斑且能长距离保持不变的有限能量无衍射光束成了研究者们的毕生追求。本文正是基于此而研究有限能量无衍射光束的传输特性，主要工作如下:
　　 第一、总结分析了有限能量无衍射光束的传输特性和产生方法。首先详细分析了有限能量Airy光束在自由空间传输时沿二次抛物线位移的自加速特性、无衍射特性以及自痊愈特性机理。其次详述了有限束宽Bessel光束的理论推导过程和常用的产生方法，并且用几何光学方法推导了有限束宽Bessel光束的无衍射最大传播距离。为后续工作奠定了理论基础。
　　 第二、参照高斯光束的传输特性，定义了基于有限能量Airy光束主峰宽度的瑞利距离，然后表征分析了截断因子对有限能量Airy光束有效传输距离的影响。结果表明:当截断因子从0增大到1时，有效传输距离从无穷大（理想的无衍射光束）减小到一倍瑞利距离。同时当0＜a＜0.4有限能量Airy光束主峰展宽程度远小于其拟合高斯光束，即有效传输距离远，但是此时光束有效能量（桶中功率）非常小。当0.4≤a＜1时有限能量Airy光束主峰展宽变化越来越接近于拟合高斯光束，并且在截断因子a=0.756时光束质量M2因子达到最小值1.17，但此时有限能量Airy光束波形已是高斯形且有效传输距离只有一倍瑞利距离。
　　 第三、利用基于主峰的瑞利距离研究了有限束宽Bessel光束的无衍射传输特性。详细分析了光阑半径与相对径向矢量系数对有限束宽Bessel光束的横向特性与纵向特性的影响。研究发现:有限束宽Bessel光束的最大无衍射距离随着光阑半径的增大而增大，随相对径向系数的增大而减小。同时，利用基于主峰宽度的瑞利距离表征分析得到了光束随相对径向系数的增大有效传输距离越远的结论。最后详细描述了在不同的径向矢量下有限束宽Bessel光束的主峰与其拟合高斯光束随距离变化的展宽情况。

目录

声明

摘要

附图索引

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 研究背景

1．2．1 无衍射光束的概念

1．2．2 无衍射光束研究进展

1．2．3 无衍射光束在激光光学中的应用

1．3 激光光束质量的表征

1．3．1 聚焦光斑尺寸

1．3．2 远场发散角θ、β值

1．3．3 光束参数乘积

1．3．4 斯特列尔比

1．3．5 M2因子

1．4 论文结构及主要内容

第二章 无衍射光束的介绍

2．1 引言

2．2 Airy光束及其产生方法

2．3 Airy光束的传播特性

2．3．1 自由加速特性

2．3．2 无衍射特性

2．3．3 自愈特性

2．4 Airy光束的M2因子研究

2．5 Bessel光束及其产生方法

2．5．1 环缝法

2．5．2 全息法

2．5．3 轴棱锥法

2．6 小结

第三章 基于有限能量Airy光束主峰的传输特性研究

3．1 引言

3．2 高斯光束的衍射特性

3．2．1 高斯光束

3．2．2 高斯光束在自由空间的传输规律

3．3 有限能量Airy光束的无衍射传输距离

3．3．1 有限能量Airy光束瑞利距离的定义

3．3．2 有限能量Airy光束主峰随距离变化分析

3．4 Airy光束的桶中功率

3．4．1 桶中功率的定义

3．4．2 Airy光束的能量分析

3．5 小结

第四章 基于有限束宽Bessel光束主峰的传输特性研究

4．1 引言

4．2 Bessel光束的传播特性

4．2．1 有限束宽Bessel光束在自由空间中的传播

4．2．2 有限束宽Bessel光束的纵向分布特性研究

4．2．3 有限束宽Bessel光束的横向分布特性研究

4．3 有限束宽Bessel光束的无衍射特性

4．4 小结

结论

参考文献

致谢

附录A (攻读硕士期间发表的学术论文目录)

附录B 攻读硕士期间参与的科研项目