Airy加速光束和突然自聚焦光束的产生和传输特性研究

摘要

Airy加速光束由于具有自由加速、无衍射以及自恢复特性,已经成为近年来备受人们关注的一种新型无衍射光束。近年来,研究发现圆形 Airy加速光束在传播一定距离以后能量突然汇聚到一点上,表现出自聚焦特性。Airy光束由于其特殊性质被广泛的应用于非线性光学、光学微操控以及激光医学治疗等领域。为了能够产生Airy加速光束,人们已经提出了许多实验方案,如,利用空间光调制器产生Airy光束、相位板产生Airy光束、利用艾里激光器产生Airy光束等。但是利用这些途径的所产生的Airy光束存在着衍射效率低等不足之处。为了能够有效的产生 Airy加速光束,本文介绍了一种基于加速光束的局域空间频率与轨迹函数之间的数学关系得到光束的纯相位函数解析式的方法,并根据纯相位函数设计出所需要的纯相位衍射光学元件。这种方法避免了傅里叶透镜的使用,有助于提高光束的能量利用率。基于这种方法,首次求出了具有圆弧形聚焦轨迹的突然自聚焦光束的纯相位函数,并通过计算机模拟定量研究了其自聚焦特性,给出了实现聚焦光斑强度最大化的优化设计参数。论文主要内容如下:
　　1.对Airy加速光束和突然自聚焦光束的研究背景和研究现状做了详细介绍。介绍了Airy加速光束的基本理论和Airy光束的理论推导过程。通过对有限能量的Airy加速光束的计算机模拟,结合理论分析验证了 Airy加速光束的自由加速、无衍射和自恢复特性。
　　2.提出了利用光束的纯相位函数来产生所需要的加速光束的新方法。该方法主要利用Airy函数的零点坐标计算加速光束局域空间频率,并且通过非线性拟合求出了Airy光束局域空间频率的解析公式。基于加速光束的局域空间频率函数与加速轨迹之间的定量关系,进一步给出了从给定加速轨迹计算相应的局域空间频率以及加速光束的纯相位函数的一种简单计算方法。作为计算实例,基于该方法求出了几种具有典型加速轨迹的加速光束的纯相位函数,并基于该纯相位函数设计纯相位衍射光学元件,通过模拟实验证明了该方法的可行性。
　　3.提出了一种确定具有任意给定加速轨迹的自聚焦光束的纯相位函数的新方法,该方法基于光束的纯相位函数与加速轨迹的切线斜率之间的关系,进而推导出所需要的纯相位函数。基于上述方法能够制备出沿任意加速轨迹的突然自聚焦光束纯相位衍射光学元件。我们对具有圆弧形加速轨迹的自聚焦光束进行了理论和实验研究。通过计算机模拟实验结果,发现了自聚焦光束在聚焦点处聚焦强度的变化规律,并通过理论分析和实验结果拟合出了聚焦强度和初始半径的依赖关系,并找到了不同条件下聚焦强度最大时对应的最佳初始半径。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 本论文主要的研究内容

第二章 Airy加速光束的基本理论和特性

2.1 Airy加速光束的基本理论

2.2 Airy加速光束的基本特性

第三章 Airy加速光束的局域空间频率及其在光束设计中的应用[13]

3.1理论分析

3.2不同加速轨迹的加速光束的纯相位函数

3.3计算机模拟结果及分析

3.4小结

第四章 突然自聚焦光束的设计

4.1理论分析

4.2计算机模拟结果

4.3分析讨论

4.4小结

第五章 总结

5.1本论文的主要研究内容

5.2 拟进一步开展的工作

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢