[发明专利]一种基于相全息图产生任意阶次无衍射贝塞尔光束阵列的方法和装置

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种光信息处理技术，特别是一种基于相全息图产生任意阶次无衍射贝塞尔光束阵列的方法及其装置，该无衍射贝塞尔光束阵列可在三维测量、光镊、多微粒操控和光漩涡等领域中有广泛应用。 

背景技术

光的衍射是自然界中一种常见的物理现象，几乎影响所有的传统的波场的传播，人们试图去寻找一种新的光场——无衍射光。直到20世纪50年代，Mcleod研究了圆锥透镜的光束传播特性，指出该透镜不同于传统的透镜，当平面入射光波通过该透镜时，在其后方特定的传播范围内，其横向光场的分布情况不变，基本不存在传统的衍射现象。Durnin J通过求解自由空间波动方程得到零阶贝赛尔函数形式的解，正式提出“无衍射贝塞尔光束”的概念，并且在实验室环境下证明了该解所对应的光波具有无衍射特性。由于无衍射光具有传统光源无法比拟的特性，并具有较高的应用价值，引起国内外大量研究学者的关注。进一步研究无衍射贝塞尔光束理论基础，传播特性和实现方法，为将来的应用奠定了坚实的基础。 

近三十年来，研究者也提出了很多实现无衍射贝塞尔光束的方法，主要有圆锥透镜法、环缝法、计算机全息法、谐振腔法、球面像差法、偏转抛物镜法、相位全息法等。这些方法均可有效产生无衍射贝塞尔光束。 

显然，若将这些无衍射贝塞尔光束按照一定的规律排列，便得到无衍射贝塞尔光束阵列。有研究者提出振幅型掩模板产生无衍射贝塞尔光束阵列，计算机全息法产生无衍射贝塞尔光束阵列等方法，通过拼接多张全息图，产生无衍射贝塞尔光束阵列，但这些方法不仅光能使用效率较低，而且产生任意阶次无衍射贝塞尔光束阵列方法也比较复杂。 

随着研究的逐步深入，无衍射贝塞尔光束阵列将在三维测量、多粒子操控和光漩涡等领域中有广泛应用价值。 

发明内容

为克服现有产生任意阶次无衍射贝塞尔光束及光束阵列方法复杂，光能使用效率较低的技术不足，本发明公开一种基于相全息图产生任意阶次的无衍射贝塞尔光束阵列的方法及其装置。 

本发明实现基于相全息图生成任意阶次的无衍射贝塞尔光束阵列方法的发明目的采用的技术方案是：该方法是由下列步骤实现的： 

⑴、利用一束单色平面光波照射空间光调制器中显示的一组按设计要求排列的相同特征值的相全息图；

⑵、相全息图经傅里叶变换后，在其傅里叶频谱面上产生唯一能量集中的亮环；

⑶、将步骤⑵获得的能量集中的亮环经环形空间滤波器滤出；

⑷、将步骤⑶环形空间滤波器滤出能量集中的亮环再次进行傅里叶变换，即可产生无衍射贝塞尔光束阵列。

本发明实现基于相全息图产生任意阶次的无衍射贝塞尔光束阵列的装置的发明采用的技术方案是：该装置包括：光源101、光波扩束准直透镜组102、空间光调制器103、傅里叶透镜一104、环形空间滤波器105、傅里叶透镜二106和产生相全息图的计算机控制系统108，光波扩束准直透镜组102、空间光调制器103、傅里叶透镜一104、环形空间滤波器105和傅里叶透镜二106按光路传播方向依次设置，产生相全息图的计算机控制系统108与空间光调制器103连接，光源101与光波扩束准直透镜组102对应设置。空间光调制器（103）和摄像机（107）与计算机控制系统（108）连接。 

本发明的有益效果是，通过该相全息法产生无衍射贝塞尔光束阵列，该方法相对于传统的全息法，有着更高的能量使用效率，根据需要，改变写入空间光调制器中的相全息图，可以获得任意阶次、任意位置的无衍射贝塞尔光束阵列。 

下面结合附图对本发明进行详细描述。 

附图1为本发明的装置实施1示意图。 

附图2为本发明的装置实施2示意图。 

附图3a是第一类零阶贝塞尔函数对应相全息图。 

附图3b是第一类零阶贝塞尔函数对应傅里叶频谱面上亮环仿真结果图。 

附图3c是第一类零阶贝塞尔函数对应经环形滤波器滤出亮环仿真结果图。 

附图3d是第一类零阶贝塞尔函数对应的无衍射贝塞尔光束的仿真结果。 

附图4a是第一类一阶贝塞尔函数对应的相全息图。 

附图4b是第一类一阶贝塞尔函数对应的无衍射贝塞尔光束的仿真结果。 

附图5a是第一类二阶贝塞尔函数对应的相全息图。 

附图5b是第一类二阶贝塞尔函数对应的无衍射贝塞尔光束的仿真结果。 

附图6a是第一类四阶贝塞尔函数对应的相全息图。 

附图6b是第一类四阶贝塞尔函数对应的无衍射贝塞尔光束的仿真结果。 

附图7a是同阶次的贝塞尔函数对应的阵列的相全息图。