参数可控无衍射微光束生成理论与技术研究

Non-diffracting beam has keep focused state and with self-image characteristics in free space, which have special usefulness and application in widely fields. However, if need to adjust the propagation parameters of non-diffracting beam have to replace new optical element, due to the propagation parameters depends on the structure parameters of optical element, so this greatly limits the application, especial to the micro optics system. So, this project study a kinds of generating principle of propagation parameters can be controlled for realizing non-diffracting micro beam, and propose its design and evaluation methods. The specific content is described as follows: building the mathematical physical model of non-diffracting beam and the electrode control strategy in the process of the electric control, analyzing factors affecting of the propagation characteristic for generating non-diffracting beam, studying the design and evaluation methods of optical system included non-diffracting micro beam. Through this research, obtained a kind of generating non-diffracting micro beam method for realizing the propagation characteristic parameters can be adjusted by electronic control, which for established the foundation of the non-diffracting beam can be apply to improve the optical performance of the micro system, which with merit of compact-sized, wide control range, high efficiency, low cost and easily integrated，has very important scientific meaning and great application value.

无衍射光束在自由空间中始终保持焦点状态且具有自重建特性，具有独特的用途和广泛的应用领域。然而，因其传播参数取决于光学器件的结构参数，要调整光束无衍射传播参数必须更换新的光学器件，极大地限制了无衍射光束的应用场景，尤其是在微光路中。因此，本项目研究一种参数可电控无衍射微光束的生成原理及其设计、评价理论，具体内容包括：建立无衍射微光束参数电控过程的数学物理模型；分析光束无衍射传播特性参数的影响因素，建立动态无衍射微光束参数变化模型及电极控制策略；研究适用于含参数可控无衍射光束系统的设计、评价方法。通过本项目的研究，得到一种无衍射传播特性可电控的实现方法及含无衍射变换特性的光学系统的设计、评价方法，该方法具有结构紧凑，参数调控范围广、效率高、成本低、易于集成等优点，为无衍射光束在微光学系统中的实际应用奠定基础，进而极大地改善微光学系统的光学性能，具有非常重要的科学意义和巨大的应用价值。

无衍射光束是麦克斯韦电磁方程在自由空间中的一族特解，该解对应的波以光速传播并始终保持处于焦点状态且在被障碍物阻隔后具有自重建特性，在许多传统使用高斯光束的场合均可被无衍射光束替代，以克服高斯光束的焦深受限等局限，特别是在现代信息通讯、非线性光学、微纳技术等领域，另外还在宇航通讯、能量传输和电磁波子弹等领域，都有着独特应用价值和诱人的前景。因此，本项目基于电润湿效应研究了参数可电控的无衍射微光束的生成原理、传播机理、分布形态及其影响作用因素。研究主要集中在如下几个方面：.（1）无衍射光束传播演变机制：基于标量波动衍射理论和稳相渐近展开建立了无衍射光束空间近似解析方程；研究了无衍射光束在空间中的传播机理、形态以及截面光强分布；探究了Axicon生成方式从单级到多级调控过程中无衍射光束的传播特性的尺度效应及其演变机制；解释了衍射场中干涉叠加区其光强耦合分布的振荡周期和局域空心现象。.（2）无衍射光束作用影响规律：构建了入射波长、Axcion几何结构参数及其材料光学常量等无衍射光束生成全过程的数理方程；确立了各参量对无衍射光束空间传播特性的对应关系；进行了实验测试验证并分析了引起理论与物理实现差异的因素；结合成型工艺建立了Axicon对称偏离和非对称偏离通用模型；量化分析了Axicon参量结构形式及偏离量对振幅透过率空间分布函数的作用影响。.（3）无衍射微光束电控作用机理：搭建了基于电润湿效应实现无衍射微光束参数调控的系统；构建了无衍射传播特性参数、电场与表面张力场的多物理场数理模型；研究了膜层厚度、口径、电场强度分布控制策略、响应时间等关键因素对双液体接触界面面形及其对光束无衍射传播的影响，探索了实现光束无衍射传播特性参数变换过程可控的方法与条件。.通过本项目的研究，为无衍射光束在微光学系统中的实际应用奠定基础，极大地改善微光学系统的光学性能，具有非常重要的科学意义和巨大的应用价值。