部分相干Bottle+beam与Bessel光束的分析

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1、摘要摘要学位论文设计了一种LED透镜可直接用LED光源产生Bottlebeam，另外还对LED光源产生高阶Bessel光束，及LED产生高阶Bessel光束的自再现特性和与相干性相关的涡旋Bessel光束的聚焦特性进行了系统的研究，主要工作包括：1.基于LED透镜设计原理，从几何光学角度对LED透镜产生Bottlebeam进行分析，利用matlab由迭代算法计算出透镜自由曲面上离散点的坐标，并把离散点坐标导入Solidworks中建立透镜模型，把模型导入Tracepro中进行光线追迹。模拟结果表明所设计的LED透镜能够

2、产生Bottlebeam且产生Bottlebeam的位置和尺寸与几何光学计算结果基本吻合。2.首次用准单色LED光源产生高阶Bessel光束，以高斯-谢尔模型代替绿光LED光源发出的光，由菲涅尔衍射积分理论计算并模拟高斯谢尔模型经过螺旋相位板和轴棱锥后的光强分布。模拟结果表明高斯-谢尔模型经过螺旋相位板和轴棱锥后能够产生高阶Bessel光束，且着传播距离的增加，所产生的高阶Bessel光束的中心光强逐渐增强，中心暗斑对度逐渐降低，在最大无衍射距离处，中心暗斑基本消失。实验上在LED光源之后的一段距离内放置一个光阑以提高

3、LED光场的空间相干性，LED光源发出的光在经过轴棱锥和螺旋相位板从而产生高阶Bessel光束，用CCD光束分析仪记录轴棱锥后的光强分布。实验观测结果与理论模拟基本吻合，且实验所得高阶Bessel光束的最大无衍射距离和中心暗斑直径与理论计算结果在误差范围内也基本符合。3.基于锥面波叠加理论分析了LED光源产生高阶Bessel光束自再现的可能性，利用交叉普密度函数传播公式模拟LED光源产生的一阶Bessel光束经过轴上障碍物后的自再现光场分布。实验上通过由绿光LED发出的光场经过螺旋相位板和轴棱锥后产生一阶Bessel光

4、束，并在光轴上放置圆形障碍物、方形障碍物来验证非相干光源产生的高阶Bessel光束的自再现特性，实验结果和理论模拟基本吻合。将实验结果和完全相干情况下高阶Bessel光束的自再现情况进行了对比，结果发现LED光源产生的高阶Bessel光束其自再现光束传播距离更短。实验还研究了障碍物距离轴棱锥不同距离处Bessel光束的自再现情况，结I华侨大学硕士学位论文果表明障碍物距离轴棱锥越远，自再现的Bessel光束中心光强越大，中心暗斑对比度越低。研究结果对于利用非相干光源实现多点光捕获和微粒操控有重要参考价值。4.Bessel

5、光束经过透镜聚焦之后在焦平面得到空心光束，但在焦平面之前有两束汇聚球面波相叠加干涉形成类似Bessel光强分布形式的光束，此光束随着传播距离的增大，轴上光强逐渐增强，在达到最大值之后，轴上光强迅速衰减并演变成局域空心光束。我们可以认为轴上光强最大点处为Bessel光束的聚焦点，通过把在轴上聚焦点处的两束汇聚球面波近似成其切线的锥面波，由几何光学可以计算出Bessel光束在聚焦前和聚焦后径向波数，从而可以知道聚焦前后Bessel光束的Bessel函数表达式，Bessel光束的缩小倍数也即为聚焦前后径向波数之比。实验上分别

6、利用完全相干的He-Ne激光和部分相干的LED作为光源产生高阶Bessel光束并由透镜聚焦，用CCD记录透镜后最大光强处的光强分布，结果表明实验所得聚焦点处高阶Bessel光束的涡旋大小和缩小倍数与理论计算基本吻合。实验还研究了相干度对于聚焦高阶Bessel光束涡旋的影响，发现当光场相干度降低时，聚焦高阶Bessel光束的涡旋会变小变浅，对于涡旋阶数较低的情况，当相干度降低至一定程度时，涡旋可能会消失，研究结果在光镊，原子引导等领域有重要的应用价值。关键词：部分相干Bessel光束高阶Bessel光束局域空心光束自再现

7、相干度IIAbstractAbstractThismasterthesisproposedanewtypeoflightemittingdiodelens,whichcanbeusedtogenerateBottlebeamdirectly.ThismasterthesishasalsostudiedusingLEDtogeneratehighorderBesselbeams,andtheself–reconstructingpropertiesofhighorderBesselbeamsgeneratedfromLE

8、Dlightsource,andthecoherencedependentfocusingpropertiesofvortexBesselbeams.Theresearchcontentmainlyincludesthefollowingpoints.1.BasedontheprincipleofLEDlensdesign,wea