典型结构光束自恢复特性仿真和实验研究.pdf

摘要

激光拥有偏振、波长、频率等多种不同的自由度，具有很好的相干性和单色性，

是研究光和物质相互作用的重要工具。近年来，光场调控成为物理学领域的一个重

要研究方向和热点研究问题。光场调控是通过对光场振幅、相位、偏振态及光谱等

参量空间/时间分布的调制，产生一系列新颖特性的结构光场和物理效应的技术。光

场调控为光与物质相互作用过程的研究提供了更多的自由度和可控性，在微纳光子

器件、光学微操纵、非线性光学、多维信息存储、超分辨成像领域具有重要的研究

前景。

通常情况下空间结构光场主要分为两类，光学腔的本征模式（厄米-高斯模式和

拉盖尔-高斯模式）和振幅函数具有特定分布的光束（平顶光、抛物光、超高斯光等）。

由于这些空间结构光场拥有的特点各不相同，被分别应用到不同的特定领域。厄米-

高斯光束、拉盖尔-高斯光束和贝塞尔光束等几种常用的典型空间结构光，由于它们

在空间传播过程中遇到障碍物时具有良好的自恢复特性，基于此优势被广泛应用在

光纤通信、光学微操作和精密光学检测等应用领域。

本论文的主要内容包括以下几个方面：

1、对厄米-高斯光束、拉盖尔-高斯光束和贝塞尔-高斯光束等几种常用的典型

结构光束光强分布和相位进行了数值模拟。利用惠更斯-菲涅尔衍射积分的传输算法

对它们在空间传输过程中的自恢复特性进行了理论分析。利用巴比涅原理对它们的

自恢复能力进行了分析。

2、设计了一种模拟典型结构光产生及自恢复特性的仿真软件。针对厄米-高斯

光束、拉盖尔-高斯光束和贝塞尔光束等典型结构光在产生、传输和自恢复特性等过

程中，光场分布会受到诸多实验参数的影响，开发了一种系统软件可以有效模拟典

型结构光束在空间的传输特性，获取光束自恢复特性的最优化参数，给实验提供数

据支持。

3、提出了一种基于铷原子交叉相位调制生成类贝塞尔光束的方法。实验上利用

一束聚焦的高斯光束调制原子介质的折射率，另外一束拉盖尔高斯光束通过被调制

的原子介质后，在远场获得类贝塞尔光束。通过在光束的传播路径中插入一个障碍

物，研究类贝塞尔光束的传播特性，证明了所产生的类贝塞尔光束具有良好的自恢

复能力。

I

关键词：厄米-高斯光束；拉盖尔-高斯光束；贝塞尔光束；自恢复特性；交叉相位

调制

II

ABSTRACT

Laserhasmultipledegreesoffreedomsuchaspolarization,wavelength,frequency,

andangularmomentum.Ithasgoodcoherenceandmonochromaticity,andisanimportant

toolforstudyingtheinteractionbetweenlightandmatter.Inrecentyears,opticalfield

manipulationhasbecomeanimportantresearchdirectionandhotissueinthefieldof

physics.Opticalfieldmanipulationisatechnologythatproducesaseriesofnovel

structuralopticalfieldsandphysicaleffectsbymodulatingthespatial/temporal

distributionofopticalfieldamplitude,phase,polarizationstate,spectrum,chirpandother

parameters.Opticalfieldmanipulationprovidesmoredegreesoffreedomand

controllabilityforth