毕 业 设 计 开 题 报 告
自聚焦光束的设计和焦场调控研究
- 文献综述
- 引言
光波的传输满足电磁场的波动方程。空间衍射和时域色散是光束的基本传输特性。由于衍射，激光束在传输过程中，光斑逐渐增大，能量逐渐分散。在生物光学，原子光学，等离子体物理等研究领域，人们希望消除衍射，降低激光束的传输耗散，得到一种可长距离稳定传输的局域波包。由此，一个新的研究领域应运而生——无衍射光束。
近年来，理论上提出了一类新的突发性自聚焦波。这些波表现出有趣的聚焦特性，因为在接近焦点处，它们的强度突然增加。由于这些波的性质，强度最大值的焦散以非线性的方式向焦点收敛。在径向对称的艾里强度分布的情况下，强度最大值遵循抛物线轨迹。与典型的高斯光束相比，这些波表现出增强的对比度。此外，焦点区域的纵向强度分布强烈不对称，这对成像和生物医学纳米手术应用可能是非常有用的[1]。
艾里自加速光束因具有无衍射、自弯曲传输以及自愈等奇异特性[2]引起了人们的广泛关注。该光束的光场振幅分布遵从艾里函数，并满足类似薛定谔型的波动方程。艾里光束的自愈能力来自于它各个光瓣之间的能量平衡势。当这种平衡势被打破后，其能量会自动流动，以形成新的平衡。显而易见，这种自愈特性可以抵抗外界环境对艾里光束的破坏，提高它在复杂介质(比如大气湍流或涡流液体)中的传输能力[3~5]。在过去的短短几年里，人们对它的研究涉及了理论和实验、线性和非线性、基础研究和潜在应用等多个方面。艾里光束先后被应用到了光学微粒操控、光子弹及等离子体通道的产生、表面等离子体激元的诱导、电子加速、艾里激光器等众多研究领域，推动自加速光的研究成为一个激动人心的前言课题。
在等离子方面，艾里光束在的应用主要有：其一，利用艾里光束产生弯曲的等离子体通道[6]；其二，产生和操控可以自弯曲传输的艾里表面等离子体激元[7~11]。其在遥感光谱、太赫兹波、超短脉冲压缩和大气科学中具有重要的应用意义。
在微粒操控方面，激光对微粒的操控在生物科学、医疗、大气科学和纳米结构加工等领域具有重要的应用前景和意义。按照粒子的光学性质不同，激光对微粒的操控机制主要有两种：一是针对非吸收型微粒的操控；另一种是针对吸收型微粒的操控[12,13]。由于艾里光束的主瓣能量占整个光束能量的70%左右，因此，非吸收型粒子总是处于艾里光束的主瓣传输路径上，就好比“骑”在艾里光束上，沿弯曲路径行走。在这个想法的推动下，国外一研究小组首次利用艾里光束把二氧化硅粒子从一个容器输运到了另外一个容器中[14,15]。而对于吸收型例子，艾里光束可以用来构建“瓶子”光束方面一次捕获多个微粒。
此外，近年来，利用艾里光束构建具有自聚焦性质的新颖光束由艾里光束构建新型自会聚光束也得到了广泛研究，将在上述领域中得到更深更广的应用。
自从激光器被研制出来，人们就一直希望用它来取代传统的武器。为此，研究人员一直在致力于实现同时抑制衍射和色散的脉冲光，即光子弹[16,17]。然而。由于固有的调制和结构不稳定性，光子弹在晶体中并不能稳定传输，因此在实验上很难产生出非线性光子弹。艾里光束的无衍射特性为光子弹的实验实现创造了新的契机。
