[发明专利]产生径向贝塞尔-高斯光束的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用计算全息、消涡旋相位和偏振转换的技术产生径向偏振贝塞尔-高斯光束的系统和方法。

背景技术

近年来，空心光束作为激光导管、光学镊子和光学扳手等工具广泛应用于捕获、操控微观粒子的研究。贝塞尔光束是一类无衍射的空心光束。1986年，J.Durnin从波动方程中得了一个严格的解。这个解有一个非常奇特的现象，传播过程中其光强等于初始光强，光强分布与他的传播距离无关，随着传播距离的增加，光束不发散。也就是说得到的这样的光束没有衍射效应。由于它的特殊本性决定了贝塞尔光束表现出来一些其它现象，比如说自我修复的现象。当贝塞尔光束被障碍物体挡住了一部分时，它在传输过程中缺失的部分会慢慢的自我补偿回来，从而保持与初始光斑一样的形状，这就是贝塞尔光束的自我修复现象。贝塞尔光束只是一个理想的数学模型，无法从实验上产生。因为理想的高阶贝塞尔光束携带了无穷大的能量，违反了能量守恒定律。但是，后来F.Gori提出了一个新的数学模型就是贝塞尔高斯光束。贝塞尔高斯光束是在贝塞尔光束上加一个高斯轮廓分布的调制，从而把它的能量限制到有限的范围。这样的光束可以很容易地从实验上产生，而且它也具有贝塞尔光束的特性。

光的另外一个基本特性就是偏振性。科研中使用最多的光束通常是线偏振、圆偏振、椭圆偏振、非偏振等。近年来一种空间偏振分布非均匀的径向偏振光束得到了极大的关注。较一般的线偏振光，它具有很多优点。2000年，美国罗切斯特大学光学研究中心K.S.Youngworth和T.G.Brown等人在Opt.Express上发表文章，理论上计算了径向偏振光经过高数值孔径物镜聚焦后可以获得强的非传播纵向场分量，从而形成尖锐的焦点。还有它在其他方面的应用促使更多的科研工作者把经历投向径向光束的研究。2006年，日本东北大学的Sato等人利用C-切割晶体的双折射性质，设计了特殊光谐振腔生成径向偏振光，从而实现了直接从激光器里输出径向偏振光束。Vyas等人理论研究了聚焦的径向偏振贝塞尔高斯光束在焦平面上的自我愈合特性。他们的研究表明径向偏振贝塞尔高斯光束较标量的贝塞尔高斯光束的自我愈合能力强，自我愈合效果好。

径向偏振光得到了大量的研究，不同的产生方法陆续被报道。但是他们产生的都是单环的空心径向偏振光束。同时他们产生的径向偏振光束不具有自我修复能力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种产生径向偏振贝塞尔-高斯光束的系统和方法，该方法可以通过产生不同的全息图来产生不同环数的径向偏振贝塞尔高斯光束，同时具有自我修复能力。

为了实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种产生径向贝塞尔-高斯光束的系统，包括：

光源，产生线偏振光；

扩束器，对所述线偏振光进行扩束；

空间光调制器，接收所述扩束后的线偏振光并产生一阶贝塞尔高斯光束；

涡旋相位板，消除所述贝塞尔高斯光束的涡旋相位；

径向偏振转换器，将消去涡旋相位的贝塞尔高斯光束转换成径向偏振光。

作为本发明的进一步改进，所述光源为氦氖激光器，产生竖直方向偏振的线偏振光。

作为本发明的进一步改进，还包括计算机，所述计算机生成的计算全息图加载到所述空间光调制器上形成计算全息光栅，以产生1阶的贝塞尔高斯光束。

作为本发明的进一步改进，所述涡旋相位板的拓扑荷为1。

相应地，本发明还公开了一种产生径向贝塞尔-高斯光束的方法，包括：

s1、产生线偏振光；

s2、对所述线偏振光进行扩束；

s3、将扩束后的线偏振光转换为一阶贝塞尔高斯光束；

s4、消除所述贝塞尔高斯光束的涡旋相位；

s5、将消去涡旋相位的贝塞尔高斯光束转换成径向偏振光。

本发明还公开了一种产生径向贝塞尔-高斯光束的方法，包括：

s1、产生一阶贝塞尔高斯光束；

s2、消去一阶贝塞尔高斯光束涡旋相位；

s3、将消去涡旋相位的贝塞尔高斯光束转换成径向偏振光。