[发明专利]自由空间形成时空艾里光束的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光束的传输与变换技术，是一种利用衍射效应和空间诱导色散效应，在自由空间形成时空域均为艾里分布光束的方法。

背景技术

衍射是光波的基本传输现象。就光的本性而言，衍射的存在使得光束在传输过程中空间扩展。但在强场科学、生物光学、原子光学、光谱学等研究领域，特别需要一种可长距离稳定传输的光束。因此，长期以来，为实现光波的远距离稳定传输，人们做了很多努力。近年来实现的无衍射光束就是这样一种光波，它能在很长的传输距离内保持强度分布不变。最为典型的无衍射光束是贝赛尔光束，曾被应用到很多领域。

1979年，理论上预言了一种新的无衍射光束——艾里光束的存在(American Assiciation of Physics Techers，Vol.47，No.3，264～267，1979)。2007年，在实验室形成了艾里光束(Physical Review Letters，Vol.99，No.21，213901-1～213901-4，2007)。不同于贝赛尔光束，艾里光束由于具有横向自由加速的特性，是近几年的研究热点。

艾里光束是具有三次位相结构的光波经傅立叶变换透镜会聚所得，光束的主瓣大小约为波长量级，与普通光波经透镜会聚后所得焦点的大小相近，因而光能量非常集中。由于无衍射艾里光束在长距离传输过程中，能始终保持光波能量空间不扩散，这等价于光束具有很长的焦深，因此特别适合于光与物质的相互作用。艾里光束用于光与物质相互作用时，经常要求超高功率密度，所以实验中经常使用的是超短脉冲艾里光束。脉冲艾里光束在传输过程中，我们不仅希望它能保持空域不衍射，也希望它能保持时域不扩展。

考虑到光强分布为艾里分布的光束在传输过程中能保持模式不变。结果，人们希望得到这样一种光束，这种光束不仅空域分布为二维艾里分布，而且一维时域分布也为艾里分布，这种光束即为时空艾里光束。时空艾里光束在传输过程中，具有空域不衍射、时域不扩展的优良特性，因而在实际应用中具有特殊的用途[Nature.Photonics，Vol.4，103～106，2010]。这促使了人们采用特定的方式来形成时空艾里光束。

由于在空间域产生二维艾里光束的方法已经成熟。因此，形成时空艾里光束的关键是，通过特定的技术，能使脉冲的时域分布也演化为艾里分布。过去，将空域为二维艾里分布的光束耦合到波导介质，利用波导的二阶色散效应和三阶色散效应，结果使得脉冲艾里光束在时域也演化为艾里分布，最终形成了时空艾里光束[Physical Review E.Vol.78，No.4，046605-1～046605-6，2008]。这里需要指出，在脉冲时域演化为艾里分布的过程中，三阶色散效应是必须的。虽然利用波导介质中的二、三阶色散效应，能够形成时空艾里光束，但这种方法存在着巨大局限。主要体现在：

a)二维艾里光束并不能很容易的耦合到波导介质中。

b)由于波导尺寸有限，会空间切割艾里光束，被切割的艾里光束很难再保持长距离的无衍射传输(Physical Review Letters，Vol.99，No.21，213901-1～213901-4，2007)。

c)强的脉冲艾里光束在波导介质中传输时，光强所致的波导介质非线性效应会改变艾里光束的分布结构(Physical Review Letters，Vol.106，No.21，213903-1～213903-4，2011)。

d)由于波导介质很难承受高强度光束。结果，利用这种方法并不能形成高功率的时空艾里光束。

发明内容

本发明的目的在于克服利用波导介质中的二、三阶色散形成时空艾里光束的局限，是一种利用空间诱导的色散效应，来形成时空艾里光束的方法。

本发明的最大好处，是直接利用空间诱导的二、三阶色散效应，使得空间为艾里分布的脉冲光束在自由空间传输过程中，时域分布也逐渐演化为艾里分布。最后形成了时空域皆为艾里分布的时空艾里光束。由于无需借助波导，因此这种方法特别易于形成超高功率时空艾里光束。

由于本发明主要利用空间诱导色散效应使脉冲光束的时域分布演化为艾里分布，因此先介绍脉冲艾里光束在自由空间传输过程中的空间诱导色散效应。

理论上，理想艾里光束可在无限长的距离内，保持光强模式不变的无衍射传输。艾里光束的表达式为：

U(x，y)∝Ai(x/X)Ai(y/Y)      (1)

式中，X、Y分别为艾里函数空间分布参数，X、Y决定着艾里光束主瓣的束宽。本发明为便于叙述，令X＝Y。