毫米波及亚毫米波段Bessel-Gauss波束矢量特性分析及其应用研究

Recently studying on especial beams has drawn increasingly interest. Bessel-Gauss beams have many novel properties, such as small central spot diameter, high intensity and long depth of field. Therefore, at millimeter wavebands and sub-millimeter wavebands, Bessel-Gauss beams may be useful in measurement, imaging, communication and realization of remote bunching propagation of electromagnetic energy in space. In this project the generation of Bessel-Gauss beams at millimeter and sub- millimeter wavelengths is firstly investigated. One or two kinds of cavities for producing high-quality Bessel-Gauss beams efficiently are proposed and designed optimally. The electromagnetic fields in the designed resonators are analyzed, and the fabrication and test their performances are carried out. Then the self-construction and self-imaging abilities of Bessel-Gauss beams, which are generated by several novel axicons, are analyzed by using the rigorous electromagnetic method. And their conclusions are drawn. Last, permittivity measurement of low-loss material at millimeter and sub-millimeter wavebands using Bessel-Gauss beams are studied detailedly. A Bessel-Gauss resonator automatic test system at Ka band is manufactured and constructed. The measuring formulas for such system, when it uses to measure the planar and non-planar samples, have been derived. The description and experimental verification of the measuring theory is done.

近年来，人们对特殊波束的研究表现出浓厚的兴趣。Bessel-Gauss波束因拥有许多新颖特性，如主瓣尺寸小、强度高、焦深长等，在毫米波段/亚毫米波段可望用于测量、成像、通信及远距离电磁聚束传输等。本项目首先研究毫米波段/亚毫米波段Bessel-Gauss波束的物理实现方法，提出并优化设计一至两种高效高质量地产生Bessel-Gauss波束的谐振腔，分析腔内电磁场分布，加工测试其性能。接着拟采用严格的电磁计算方法，分析几种新型轴棱锥所产生的Bessel-Gauss波束的自重建、自成像特性，总结其特性规律。最后重点研究Bessel-Gauss波束用于毫米波段/亚毫米波段低损耗材料复介电常数测量，研制和构建一套Ka波段Bessel-Gauss谐振腔自动测试系统，推导出该系统用于平面材料和非平面材料复介电常数测量时的理论公式，阐述测量原理，并进行测试理论的实验验证。

Bessel波束和Bessel-Gauss波束因具有主瓣尺寸小(约为波长量级)、强度高、焦深长、自重建、自成像、传输距离远等新颖特性，有着十分诱人的应用前景。在光学领域，它们可应用于激光大气通讯、宇宙飞船间的能量传输和通信、电磁波炮弹与子弹的实现；用于高精度定向或准直光学系统；可作为光钳来操纵粒子；还可应用在激光加工技术中。在毫米波与亚毫米波频段，它们可望用于成像、测量及实现电磁能量在空间的远距离聚束传输等。于是，国际上迅速掀起了研究这类波束的热潮，众多的科学家相继投入到有关的理论、实验及实际应用的研究中。许多有意义的研究成果已见报道。从国内外研究现状及发展动态可以看出，在毫米波及亚毫米波频段对Bessel、Bessel-Gauss波束的研究工作远远滞后于光学领域，尤其是对Bessel-Gauss波束的研究就更少了，而这类波束在毫米波及亚毫米波测量、成像、通信及功率传输等方面具有潜在的应用前景。所以，本项目在毫米波及亚毫米波段对Bessel-Gauss波束的产生、特性及其应用进行研究。. 本项目主要研究毫米波及亚毫米波段Bessel-Gauss波束的物理实现方法；应用严格的电磁计算方法分析Bessel-Gauss波束的特性，如自重建、自成像特性等；最后构建一套Ka波段Bessel-Gauss谐振腔自动测试系统，利用零阶Bessel-Gauss波束主瓣尺寸小、强度高、焦深长等新颖特性来测量低损耗材料的复介电常数，以提高测量精度。. 经过多年研究，课题组对毫米波段及亚毫米波段Bessel-Gauss波束的物理实现方法及散衍射特性，尤其是自重建、自成像特性有一个更全面的认识，完善了毫米波段及亚毫米波段 Bessel-Gauss 波束的理论。对Bessel-Gauss波束应用于毫米波段及亚毫米波段复介电常数测量有一个较清楚的认识，为探索该类波束在其它方面的应用打下坚实的基础。构建Ka波段Bessel-Gauss谐振腔测试系统和焦斑调控测试系统，推导出测量公式，给出测量原理。发表本领域具有较高水平的学术期刊论文达15篇，其中SCI收录11篇、EI收录10篇、中文核心期刊2篇；会议论文6篇，其中EI收录4篇、CPCI-S收录6篇。申请国家发明专利6项，其中授权1项、进入实审3项。