[发明专利]一种拉格朗日高斯光束古依相位参量测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光学参量的测量方法，特别是一种拉格朗日高斯光束古依相位参量测量方法。主要用于光学谐振腔、腔增强光谱分析、脉冲光整形、光化学、光学仪器等领域中的结构性能的设计优化。

背景技术

古依相位的英文全称为Gouy Phase，古依相位由法国人Gouy于1890年首先发现，是指会聚光波和标准球面波相比在焦点附近产生的附加相位。这种反常的附加相位事实上存在于各种会聚波的焦点附近。对于光波而言，光学古依相位有非常重要的意义，它决定了激光谐振腔各种横模的谐振频率，还影响光脉冲波包的空间分布形状，并且还可以调控光致电离和光解效应。光学古依相位参量的测量是其具体应用的前提，具有非常重要的作用和地位。在先技术中，存在光学古依相位参量的测量方法，通过检测两束光相干信号得到古依相位参量值，例如，《光学学报》2007年27卷第10期上的论文《超连续谱干涉方法测量古依相移》中就是使用相干的方法，这种方法虽具有一定的优点，但是存在本质不足，光束相干光路结构复杂，受到光束的时间相干性和空间相干性的限制；测量系统的光学和光机结构的定位要求高，系统抗干扰性不强；无法实现任何光学古依相位参量的高灵敏度直接测量，无法实现高数值孔径光学系统中的古依相位参量测量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种拉格朗日高斯光束古依相位参量测量方法，具有实现简单、结构定位要求低、可靠性高、抗干扰性强、可实现高灵敏度直接测量、可以测量高数值孔径光学系统中的古依相位参量、应用范围广等特点。

本发明的基本构思是：拉格朗日高斯光束是波动方程的近轴完备解集，本发明利用拉格朗日高斯光束的波前振幅调制技术，对拉格朗日高斯光束波前进行扇形遮光调制，并将光束径向参数选定为零，此时光束经过会聚后形成含有一个缺口的圆环形光斑，利用近场光学技术探测含有一个缺口的圆环形光斑，探测光束传播方向不同位置上的缺口中心对应的方位角参量可以得到不同传播位置上的基模光束古依相位，拉格朗日高斯光束的径向参数p乘以2，再与拓扑数取m绝对值和后加1，再乘上基模光束古依相位，就得到了不同传播位置上的任意拉格朗日高斯光束的古依相位，即为此方法光路结构简单、不受到光束的时间相干性和空间相干性的限制；测量系统的光学和光机结构的定位要求低，系统抗干扰性强；可实现基模光学古依相位参量的高灵敏度直接测量，经过简单计算既可以得到光束古依相位，实现高数值孔径光学系统中的古依相位参量测量，方法简单直接；可操作性强，应用范围广。

此处特别指出：现有激光器出射光束多为高斯光束，高斯光束是拉格朗日高斯光束的基模，也就是说，拉格朗日高斯光束在径向参数和拓扑数均取零时就是高斯光束，高斯光束是拉格朗日高斯光束的一个特例。并且，拉格朗日高斯光束是波动方程近轴的完备解集，任意光场均可以通过拉格朗日高斯光束线形组合叠加进行解析表示。

本发明方法的具体步骤如下，

步骤(1)激光器出射光束经过准直扩束器件后形成准直光束，激光器出射光束的光路上依次设置有准直扩束器件、振幅型空间光调制器、不透光扇形挡光板、会聚物镜。通过计算全息方法得到光束径向参数为零的拉格朗日高斯光束全息图形，将全息图形通过数据线传输到振幅型空间光调制器中，激光器出射光束依次经过准直扩束器件和振幅型空间光调制器后转化成为零径向参数的拉格朗日高斯光束；

步骤(2)振幅型空间光调制器出射的拉格朗日高斯光束经过不透光扇形挡光板后，转化成为含有扇形挡住区域的拉格朗日高斯光束，不透光扇形挡光板的中心点与振幅型空间光调制器出射的拉格朗日高斯光束光轴中心点相重合，不透光扇形挡光板的扇形圆心角小于2π/3，扇形圆心角也称作扇形顶角，不透光扇形挡光板的半径大于准直扩束器件出射准直光束的半径，不透光扇形挡光板的入射面与振幅型空间光调制器的出射面的间距小于5毫米；

步骤(3)不透光扇形挡光板出射的含有扇形挡住区域的拉格朗日高斯光束经过会聚物镜，进行聚焦，形成含有一个缺口圆环形光斑的焦点区域，会聚物镜焦点区域设置有近场光纤探针，近场光纤探针的探测端光轴与会聚物镜出射光束光轴相互平行，近场光纤探针的探测端指向会聚物镜，近场光纤探针的探测端与三维纳米平台相固定，近场光纤探针的另一端与光电传感器相连接；