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第卷第期强激光与粒子束.. .
年月.
无衍射光束概念及在强激光技术中
潜在应用的分析
吕百达张彬蔡邦维
四川大学光电科学技术系, 成都
摘要对近年来引起广泛研究趣和热烈争议的无衍射光束和相关的物理概念、
产生方法和传输特性, 以及在强激光技术中应用的可能性等同题. 作了详细的物理分
析, 以期引起讨论.
关键词理想的和近似舶无衍射光束贝喜尔光束光束变换器衍射原理
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引言
美国大学的等人年在..和...
上发表了两篇著名的文章, 首次提出了。无衍射光束的概念, 并作了理论分析和实验
验证】】。最近, 杭州大学王绍民教授及其合作者在应用激光上相继发表多篇文
章】。认为等的亮环实验⋯等⋯在实验设计上不妥, 所以都投有获得成
功。王绍民教授研究了光束的无衍射特性, 光束的超衍射极限传辅.
进一步, 在对衍射原理作。本质上修收的基础上, 提出了新光束概念, 并在
—, ,,二极管泵浦固体激光器, 多模钕玻璃激光器和板条固体激光器上作了多
项实验研究, 引起了广泛的关注. 围绕无衍射光束概念在国内外引起热烈争议的主要同
题可归纳为:无衍射光束的物理实质是什么无衍射光束是否可实现如果能够的话,
它是否优于高斯光束无衍射光束有无应用前景王绍民教授的工作进而提出了:衍射
基本原理和衍射积分公式是否应作本质上修改在强激光技术的若干重要应用中,
是否应当采用新光束
我们曾对无衍射光束相关概念和应用途径作过一些研究一”.并就此论题与国内外
同行作过多次广泛而深人的讨论。在此基础上, 本文拟结合我们工作, 对上述问题进行
分析研究, 提出一些看法与同行商榷。
年月日收到原稿. 年月日收到修改稿
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强激光与粒子柬第卷
无衍射光束的物理意义、产生方法和传输特性
从渡动方程
△一寺,口
出发式中△为拉普拉斯算子, 、、分别为径向、角向和轴向坐标, 为时间, 为光
速, 为场函数, 借助于数学物理方法的知识, 容易证明, 形如
,,:。—】
,,,￡一.】
的函数都是式在无界空间中的特解, 分别称为零阶贝塞尔光束:和高阶贝塞
尔光束⋯】。式中, 为阶贝塞尔函数:,,,⋯。∞为圆频率, 而
、
口:
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为波数。当/时, 由式决定的横平面上的光强分布
,,
不随传输距离变化这是等人将它命名为无衍射光束的原因例如, 参见
文献【】, 的原文为: ,
,
。
从菲涅尔一基尔霍夫衍射积分公式出发,也可证明, 贝塞尔光束是衍射积分方程的
一个近似解, 进一步分析可见文献】。而且容易看出, 除了式之外数学上满足波
动方程的其它形式的无衍射解, 例如光束等, 也是存在的。
然而, 这仅是一个数学上的结果。直观的分析表明, 形如式的贝塞尔光束是非
平方可积的, 物理上意味着它携带有无限大的能量, 此外, 式还说明光强分布不艟
传输距离发生变化, 即无衍射, 这与衍射是光波场普遍特性的物理学原理相悖。基
于此二点理由, 应当说. 理想的, 即数学上由式描述的无衍射光束, 在物理上是不