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贝塞尔光束传播与散射特性研究

作　者: 马秀波
导　师: 李恩邦
学　校: 天津大学
专　业: 光电子技术
关键词: 散射贝塞尔光束贝塞尔高斯光束球面矢量波函数广义洛仑兹米氏理论
分类号: O436
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

贝塞尔光束的横向光强分布表现为一个中心光斑和一系列同心圆环。在物理上可以实现的贝塞尔光束，其无衍射传播范围是有限的。在贝塞尔光束的无衍射范围内，贝塞尔光束保持横向光强分布，即使在遇到不透明障碍物后也可以恢复到原来的横向光强分布。贝塞尔光束独特的光强分布和传播性质使其得到了广泛应用，例如光学成像，微细加工，光学互联和校直，粒子操控，微缩平板印刷，非线性光学等。研究贝塞尔光束的传播性质对于贝塞尔光束的应用是有着十分重要的意义。论文研究了超高斯贝塞尔（SGB）光束在湍流大气中的传播性质。基于广义惠更斯-菲涅耳原理，推导出了SGB光束在湍流大气中的光场分布，并对SGB光束的轴上和横截面上的光强分布进行了数值模拟。同SGB光束在真空中的光场分布对比说明:大气湍流的影响改变了SGB光束无衍射传播的距离，但是有的SGB光束在一定程度上仍然可以保持其中心光斑恒定的大小和强度，在湍流大气中可以较小的受到大气湍流的影响。在无线激光通信中，如果用SGB光束代替高斯光束，那么有利于提高光能的利用率，简化光学信号接收系统的结构。基于广义洛仑兹米氏理论，论文研究了非偏振贝塞尔光束的球散射性质。应用球面矢量波函数展开法，求得了非偏振理想贝塞尔光束球散射场的解析解，然后求得了无量纲散射函数，散射截面和消光截面。该无量纲散射函数适用于任意大小和折射率的球散射体在光束中任意位置的情况。对无量纲散射函数的数值模拟表明：对于轴上的球散射体，散射场的分布取决于球散射体大小跟光束中心光斑大小的比值；对于较大的球散射体，在贝塞尔光束圆锥角或者附近方向上存在散射极点，这种现象可以用光的量子理论给出较好的解释；对于离轴的球散射体，散射极点分布在由球散射体中心和光轴决定的平面内。同样的，基于广义洛仑兹米氏理论，应用傅立叶变换，平面波谱展开法、球面矢量波函数展开法，研究了非偏振贝塞尔高斯光束球散射场。非偏振理想贝塞尔高斯光束的球散射远场跟非偏振贝塞尔光束的球散射远场对比说明：对于离轴的球散射体，光束宽主要改变散射极点的相对大小，但是对于散射极点所在的方向基本没有影响。对散射近场的实验结果和数值模拟相一致证实，关于理想非偏振贝塞尔光束球散射场的推导是正确的。对粒子散射性质的研究有助于了解新的物理现象，设计新的粒子诊断系统。对于贝塞尔光束球散射性质的研究，有望将贝塞尔光束引入到微粒测量技术中。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-23
  1.1 贝塞尔光束的研究现状  9-20
    1.1.1 贝塞尔光束的光强分布及性质  9-12
      1.1.1.1 理想贝塞尔光束的光强分布和性质  9-10
      1.1.1.2 近似贝塞尔光束的光强分布和性质  10-12
    1.1.3 贝塞尔光束的产生方法  12-15
      1.1.3.1 环缝-透镜法  12-13
      1.1.3.2 轴棱镜法  13-14
      1.1.3.3 球面像差法  14-15
    1.1.4 贝塞尔光束的应用  15-20
      1.1.4.1 微细加工  15
      1.1.4.2 光学互联、校直和成像  15-17
      1.1.4.3 带电粒子的加速  17
      1.1.4.4 在非线性光学中的应用  17-18
      1.1.4.5 粒子操控及其在统计物理学和原子光学中的应用  18-20
  1.2 贝塞尔光束的国内研究现状  20-21
  1.3 论文主要研究意义和内容  21-23
第二章理论基础  23-35
  2.1 光的电磁理论  23-25
  2.2 光的标量衍射理论  25-31
    2.2.1 惠更斯-菲涅耳原理  25-26
    2.2.2 基尔霍夫衍射积分公式  26-29
    2.2.3 衍射的角谱理论  29-31
  2.3 光的量子理论  31-33
  2.4 光的散射  33-34
  2.5 本章小结  34-35
第三章超高斯贝塞尔光束的传播  35-43
  3.1 超高斯贝塞尔光束  35-42
    3.1.1 超高斯贝塞尔光束在真空中的传播  36-38
    3.1.2 超高斯贝塞尔光束在湍流大气中的传播  38-42
  3.2 本章小结  42-43
第四章贝塞尔光束的米氏球散射  43-66
  4.1 米氏理论和球面矢量波函数  43-46
  4.2 贝塞尔光束的球面矢量波函数展开  46-49
  4.3 贝塞尔光束的球散射场  49-51
  4.4 球散射远场的无量纲散射函数  51-52
  4.5 无量纲散射函数的数值模拟  52-60
    4.5.1 球散射体在光轴上的情况  52-57
    4.5.2 球散射体在光轴附近情况  57-60
  4.6 球散射体在贝塞尔光束中的散射截面  60-62
  4.7 球散射体在贝塞尔光束中的消光截面  62-64
  4.8 本章小结  64-66
第五章贝塞尔高斯光束的米氏球散射  66-78
  5.1 贝塞尔高斯光束的球散射场  66-70
  5.2 球散射远场的数值模拟与分析  70-75
  5.3 散射截面和消光截面  75-76
  5.4 本章小结  76-78
第六章贝塞尔光束球散射的实验研究  78-86
  6.1 轴棱镜产生的贝塞尔光束  78-81
  6.2 贝塞尔光束球散射的实验研究  81-85
    6.2.1 实验装置  81-82
    6.2.2 实验结果与讨论  82-85
  6.3 本章小结  85-86
第七章总结与展望  86-88
  7.1 总结  86
  7.2 创新点  86-87
  7.3 展望  87-88
参考文献  88-95
发表论文和参加科研情况说明  95-96
附录  96-105
致谢  105

贝塞尔光束传播与散射特性研究

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