为了探究轴棱锥透镜面形偏差对无衍射光束传播特性的影响, 建立了三种相对理想锥镜母线的偏离模型, 即母线向内侧凹陷、外侧凸出、顶点呈双曲线分布的轴棱锥透镜.推导了各偏离锥镜的振幅透过率函数, 并基于菲涅耳衍射理论对平面波经三种母线偏离锥镜的出射光场及光强分布进行了理论分析与数值模拟.结果表明：锥镜母线内凹时, 光场强度变小, 焦深延长, 纵截面光场逐渐发散, 沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变大; 锥镜母线外凸时, 光场强度激增, 焦深变短, 纵截面光场逐渐汇聚, 沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变小; 锥镜顶点呈双曲线分布时, 光场振荡加剧, 场强和焦深几乎不变, 纵截面光场发散后逐渐恢复至均匀分布状.研究结果可为分析轴棱锥透镜锥面加工误差对无衍射光束传播特性的影响、进一步完善无衍射光束衍射场理论, 以及拓宽其工程应用范围等提供参考.

为进一步完善多级无衍射光束的传输与转换理论, 基于轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析, 采用数值模拟软件对双级无衍射光束的空间光强分布与轴上光强分布进行仿真; 基于锥镜加工工艺对锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布进行研究, 分析了双级无衍射光场的场强大小和影响光场振荡周期的因素。结果表明: 理想双级轴棱锥透镜生成的无衍射光场由4个区域组成, 在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥衍射场的耦合叠加, 其余区域仍保持单级无衍射光场分布特性; 锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布受双曲线特征参数影响较大。其特殊的光场分布为多级无衍射光束拓展至大尺寸空间测量以及粒子微操作等提供了新的可能。

为进一步完善多级无衍射光束的传输与变换理论, 拓展双级无衍射光束的应用范围, 根据轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析; 基于轴锥镜法搭建生成双级无衍射光束的实验平台, 获取了沿光轴传输至不同距离处的截面光斑及其光强分布, 探究了平行光束不同入射倾角对无衍射光束传输变换的影响.实验结果表明: 双极无衍射出射光场由四个区域组成, 在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥出射场的耦合叠加, 其余区域仍保持单级无衍射光束的传播特性, 其光强大小受轴棱锥透镜的入射光阑与透镜底角影响, 光斑破裂程度与平行光束的入射倾角呈正相关.本文对双极无衍射光束的空间传播特性、光强分布特性、光强影响因素等做了详细分析, 对拓展多级无衍射光束的应用具有指导意义.

为了消除光学器件几何参数对无衍射光束传播特性调整的限制, 实现长距空间中无衍射光束传播时特性参数的可控性, 首先, 通过研究axicon折射阴影区的电场分布特征, 发现axicon无衍射区外过临界面后的近轴区域虽处于几何折射阴影近轴区域内, 但仍存在光强服从第一类零阶贝赛尔函数分布的球面波; 以此为基础, 提出了一种不受传播空间距离限制的无衍射光束的生成方式; 最后, 在近12 m的尺度范围内进行无衍射光传播特性参数测试, 发现其实验参数与理论计算值的差值不超过01 μm。该无衍射光通过对第一类零阶贝塞尔函数分布的球面衍射光斑准直生成, 本质上区别于传统的干涉无衍射光束生成方式, 易于生成大尺度空间无衍射光束。该无衍射光生成方式适合用于非能量使用情况下大尺度空间的直线基准、光束空间通讯等领域, 具有较大的价值与意义。