部分相干Bottle beam及Bessel光束的研究.pdf

1、學(xué)位論文設(shè)計(jì)了一種 LED透鏡可直接用 LED光源產(chǎn)生 Bottle beam，另外還對(duì) LED光源產(chǎn)生高階 Bessel光束，及 LED產(chǎn)生高階 Bessel光束的自再現(xiàn)特性和與相干性相關(guān)的渦旋 Bessel光束的聚焦特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要工作包括：
　　1.基于 LED透鏡設(shè)計(jì)原理，從幾何光學(xué)角度對(duì) LED透鏡產(chǎn)生 Bottle beam進(jìn)行分析，利用 matlab由迭代算法計(jì)算出透鏡自由曲面上離散點(diǎn)的坐標(biāo)，并把離散點(diǎn)坐標(biāo)

2、導(dǎo)入 Solidworks中建立透鏡模型，把模型導(dǎo)入 Tracepro中進(jìn)行光線追跡。模擬結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的LED透鏡能夠產(chǎn)生 Bottle beam且產(chǎn)生 Bottle beam的位置和尺寸與幾何光學(xué)計(jì)算結(jié)果基本吻合。
　　2.首次用準(zhǔn)單色 LED光源產(chǎn)生高階 Bessel光束，以高斯-謝爾模型代替綠光LED光源發(fā)出的光，由菲涅爾衍射積分理論計(jì)算并模擬高斯謝爾模型經(jīng)過螺旋相位板和軸棱錐后的光強(qiáng)分布。模擬結(jié)果表明高斯-謝爾模型經(jīng)過螺

3、旋相位板和軸棱錐后能夠產(chǎn)生高階 Bessel光束，且著傳播距離的增加，所產(chǎn)生的高階Bessel光束的中心光強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，中心暗斑對(duì)度逐漸降低，在最大無衍射距離處，中心暗斑基本消失。實(shí)驗(yàn)上在LED光源之后的一段距離內(nèi)放置一個(gè)光闌以提高 LED光場(chǎng)的空間相干性，LED光源發(fā)出的光在經(jīng)過軸棱錐和螺旋相位板從而產(chǎn)生高階 Bessel光束，用 CCD光束分析儀記錄軸棱錐后的光強(qiáng)分布。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果與理論模擬基本吻合，且實(shí)驗(yàn)所得高階 Bessel光束的

4、最大無衍射距離和中心暗斑直徑與理論計(jì)算結(jié)果在誤差范圍內(nèi)也基本符合。
　　3.基于錐面波疊加理論分析了LED光源產(chǎn)生高階Bessel光束自再現(xiàn)的可能性，利用交叉普密度函數(shù)傳播公式模擬LED光源產(chǎn)生的一階Bessel光束經(jīng)過軸上障礙物后的自再現(xiàn)光場(chǎng)分布。實(shí)驗(yàn)上通過由綠光LED發(fā)出的光場(chǎng)經(jīng)過螺旋相位板和軸棱錐后產(chǎn)生一階 Bessel光束，并在光軸上放置圓形障礙物、方形障礙物來驗(yàn)證非相干光源產(chǎn)生的高階 Bessel光束的自再現(xiàn)特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)

5、果和理論模擬基本吻合。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和完全相干情況下高階 Bessel光束的自再現(xiàn)情況進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn) LED光源產(chǎn)生的高階 Bessel光束其自再現(xiàn)光束傳播距離更短。實(shí)驗(yàn)還研究了障礙物距離軸棱錐不同距離處 Bessel光束的自再現(xiàn)情況，結(jié)果表明障礙物距離軸棱錐越遠(yuǎn)，自再現(xiàn)的Bessel光束中心光強(qiáng)越大，中心暗斑對(duì)比度越低。研究結(jié)果對(duì)于利用非相干光源實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)光捕獲和微粒操控有重要參考價(jià)值。
　　4. Bessel光束經(jīng)過透鏡聚焦之

6、后在焦平面得到空心光束，但在焦平面之前有兩束匯聚球面波相疊加干涉形成類似 Bessel光強(qiáng)分布形式的光束，此光束隨著傳播距離的增大，軸上光強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，在達(dá)到最大值之后，軸上光強(qiáng)迅速衰減并演變成局域空心光束。我們可以認(rèn)為軸上光強(qiáng)最大點(diǎn)處為 Bessel光束的聚焦點(diǎn)，通過把在軸上聚焦點(diǎn)處的兩束匯聚球面波近似成其切線的錐面波，由幾何光學(xué)可以計(jì)算出 Bessel光束在聚焦前和聚焦后徑向波數(shù)，從而可以知道聚焦前后 Bessel光束的Bessel函

7、數(shù)表達(dá)式，Bessel光束的縮小倍數(shù)也即為聚焦前后徑向波數(shù)之比。實(shí)驗(yàn)上分別利用完全相干的He-Ne激光和部分相干的LED作為光源產(chǎn)生高階 Bessel光束并由透鏡聚焦，用 CCD記錄透鏡后最大光強(qiáng)處的光強(qiáng)分布，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)所得聚焦點(diǎn)處高階 Bessel光束的渦旋大小和縮小倍數(shù)與理論計(jì)算基本吻合。實(shí)驗(yàn)還研究了相干度對(duì)于聚焦高階 Bessel光束渦旋的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光場(chǎng)相干度降低時(shí)，聚焦高階 Bessel光束的渦旋會(huì)變小變淺，對(duì)于渦旋階數(shù)較低