非傍轴矢量衍射光束的光强及其能量传输的研究

摘要

光波是电磁波，其运动规律由麦克斯韦方程组描述，因此从本质上讲光场是矢量场。随着近场光学的发展，以及小尺度大角度光源的使用逐渐增多，衍射理论的标量近似已不再成立，必须采用矢量衍射理论[1-7]。光强有多种定义，在光的矢量理论中，光强被定义为单位时间单位面积内所流过的能量的平均值，在垂直于光轴(z轴)横截面上的光强就等于平均坡印廷矢量的z分量[8-10]，也有按照传统光强定义把光振动复振幅绝对值的平方I=｜Ex｜2+｜Ey｜2+｜Ez｜2作为光强。本课题以高斯光束圆孔衍射为例对光强的两种定义和I进行了详细地比较研究，分析了传统光强定义I的有效性和光轴上光强的特性。以平面波微小孔衍射为例给出了垂直于光轴横截面上三种光强I，Jz和的计算式并进行了详细的计算和比较研究，分析了光轴上光强的特性。 在光束能量传输的研究中，光束的能量集中度[11-14]是描述光束能量传输性质的一个非常重要的物理量。本课题基于非傍轴矢量光束横截面上光强的精确表示和严格的矢量衍射场理论，对平面波经微小孔衍射的能量集中度进行了研究。数值计算表明衍射光束的能量集中度与传输距离、衍射孔径、光斑半径等参数有关。通过对光学系统参数的控制，可得到合适的能量集中度，这对光纤探针能量传输特性的研究具有重要意义。

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致谢

前言

第一章光场的衍射理论

1.1传统标量场衍射理论

1.1.1平面屏衍射的基尔霍夫理论

1.1.2平面屏衍射的瑞利——索莫菲衍射理论

1.1.3平面波角谱衍射理论

1.2矢量衍射理论

1.2.1矢量衍射理论的瑞利——索莫菲衍射积分表示

1.2.2矢量衍射理论的角谱表示

1.2.3角谱分析法和矢量瑞利——索莫菲衍射积分方法的等价性

第二章高斯光束圆孔衍射

2.1非傍轴矢量高斯光束圆孔衍射的光强表示＜Sz＞与I=|Ex|2+|Ey|2+|Ez|2的比较研究

2.1.1非傍轴矢量高斯光束圆孔衍射的光强表示

2.1.2两种定义的光强表达式

2.1.3横截面上光强的数值计算

2.1.4结论

2.2高斯光束圆孔衍射轴上光强特性

2.2.1ω0/ρ0≥1的高斯光束圆孔衍射轴上光强

2.2.2ω0/ρ0＜1的高斯光束圆孔衍射轴上光强

第三章平面波圆孔衍射的光强表示及轴线上的光强特点

3.1平面波小孔衍射的光强比较研究

3.1.1光强表示

3.1.2光轴及横截面上光强的数值计算

3.1.3结果与讨论

3.2轴上光强的特性

3.2.1轴上光强的计算

3.2.2结果与讨论

第四章非傍轴矢量衍射光束的能量传输

4.1平面波圆孔衍射的能量集中度

4.2能量集中度η与传播距离z的关系

4.2.1数值计算结果

4.2.2分析与讨论

4.3能量集中度η与光斑半径r的关系

4.3.1数值计算结果

4.3.2分析与讨论

4.4能量集中度η与衍射孔径ρ0的关系

4.4.1数值计算结果

4.4.2分析与讨论

4.5微小孔非傍轴衍射的能量透射系数

4.6本章小结

结束语

参考文献

附录 硕士期间发表以及待发表的论文