毫米波與亞毫米波段貝塞爾波束的產(chǎn)生及其特性研究.pdf

1、貝塞爾波束是由美國Rochester大學(xué)的Durnin及其合作者于1987年首次引入光學(xué)領(lǐng)域。理想的貝塞爾波束在無界的自由空間中傳播時(shí)，與其傳播方向垂直的每個(gè)平面上的強(qiáng)度分布總是保持不變且具有高度的局域化。由于這類波束具有主瓣尺寸小(約為波長量級(jí))、強(qiáng)度高、焦深長、方向性好、傳播距離遠(yuǎn)等許多新穎的特性，有著十分誘人的應(yīng)用前景。在光學(xué)領(lǐng)域，它可應(yīng)用于激光大氣通訊、宇宙飛船間的能量傳輸和通信、電磁波炮彈與子彈的實(shí)現(xiàn)；用于高精度定向或準(zhǔn)直光學(xué)

2、系統(tǒng)；可作為光鉗來操縱粒子；還可應(yīng)用在激光加工技術(shù)中。國際上迅速地掀起對(duì)貝塞爾波束的研究熱潮，眾多的科學(xué)家相繼投入到有關(guān)的理論、實(shí)驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用的研究中。在毫米波與亞毫米波頻段，它可望用于成像、測量及實(shí)現(xiàn)電磁能量在空間的遠(yuǎn)距離聚束傳輸?shù)?，所以在該頻段對(duì)這類波束進(jìn)行研究無疑具有重要的學(xué)術(shù)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。本文將在毫米波與亞毫米波頻段開展對(duì)貝塞爾波束的研究，深入分析這類波束的標(biāo)量和矢量性質(zhì)；提出幾種近似實(shí)現(xiàn)貝塞爾波束的物理方法；嚴(yán)格分析軸

3、棱錐實(shí)現(xiàn)的偽貝塞爾波束特性；研究貝塞爾波束的衍射傳播特性；最后還展望了其潛在應(yīng)用。本文主要工作包括以下幾個(gè)部分：
　　 1、詳細(xì)分析了貝塞爾波束的標(biāo)量和矢量性質(zhì)。首先分析了標(biāo)量形式的貝塞爾波束，在此基礎(chǔ)上借助輔助函數(shù)-Hertz矢勢，求解矢量Helmholtz方程。推導(dǎo)出TM和TE模貝塞爾波束的表達(dá)式；討論了貝塞爾波束的極化方式；計(jì)算了TM和TE模的能量和能流密度。這些結(jié)果有助于深入認(rèn)識(shí)貝塞爾波束的性質(zhì)，對(duì)研究如何產(chǎn)生高質(zhì)量的偽

4、貝塞爾波束也有很大的幫助。
　　 2、運(yùn)用二元光學(xué)元件(Binary Optical Element,BOE)來設(shè)計(jì)貝塞爾波束變換器，以提高衍射效率和靈活實(shí)現(xiàn)任意階的偽貝塞爾波束。使用的設(shè)計(jì)工具有二維和三維兩種，其中二維工具為遺傳算法(GeneticAlgorithm，GA)聯(lián)合二維時(shí)域有限差分(Two-Dimensional Finite-Difference Time-Domain,2D-FDTD)方法；而三維則是微遺傳算法

5、(Micro-Genetic Algorithm，MGA)與旋轉(zhuǎn)體時(shí)域有限差分(Body-Of-RevolutionFinite-Difference Time-Domain，BOR-FDTD)方法相結(jié)合。
　　 3、嚴(yán)格分析由傳統(tǒng)的軸棱錐(Axicon)和分形圓錐透鏡(Fractal Conical Lens，F(xiàn)CL)產(chǎn)生的近似貝塞爾波束的特性。本文應(yīng)用嚴(yán)格的電磁分析方法—2D-FDTD方法結(jié)合Stratton-Chu衍射積分

6、公式，分別計(jì)算了這兩種元件產(chǎn)生的偽貝塞爾波束的軸向和橫向強(qiáng)度分布，分析并總結(jié)了它們的衍射特性。
　　 4、提出并設(shè)計(jì)了二元軸棱錐(Binary Axicon)元件，以便用于微型化或集成化的準(zhǔn)光系統(tǒng)中。所設(shè)計(jì)的器件較全息型軸棱錐(Holographic Axicons)易于加工，且與傳統(tǒng)的軸棱錐相比有體積小、重量輕、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。
　　 5、提出并優(yōu)化設(shè)計(jì)了不規(guī)則二元軸棱錐(Irregular Binary Axicon,

7、IBA)器件，以實(shí)現(xiàn)軸向強(qiáng)度均勻分布的偽貝塞爾波束。
　　 6、分別設(shè)計(jì)并分析了貝塞爾、貝塞爾-高斯諧振腔?；跍?zhǔn)光技術(shù)分別設(shè)計(jì)了貝塞爾、貝塞爾-高斯諧振腔。發(fā)展了經(jīng)典的Fox-Li算法，提出了Stratton-Chu迭代法，并將其用于分析所設(shè)計(jì)的諧振腔。
　　 7、比較了貝塞爾波束與高斯波束的衍射傳播特性。由于先前學(xué)者所采用的比較標(biāo)準(zhǔn)不夠客觀公正，得出相反的比較結(jié)論。本文提出了更為合理的比較準(zhǔn)則，且應(yīng)用Stratton