[发明专利]一种产生异常空心光束的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种产生异常空心光束（Anomalous Hollow Beam）的方法及其装置，所产生的光束可应用于原子光学、自由空间光通信、二进制光学、光学微粒捕获和医学生物等领域。

背景技术

一种在传播方向上中心光强（或轴向强度）为零的环形光束被叫做“空心光束”（或“暗中空光束”）。这样的光束除了具有光束的一般参数（如频率                                                、功率P₀和发散角α）外，还有一些特殊的参数，如：暗斑尺寸（DSS）、光束宽度（W_DHB）、光束半径（r₀）和宽径比（WRR）等。

空心光束的类型有很多，不同类型有着不同的光束特性及其特殊的应用价值。例如，空心高斯光束可用于研究高次谐波的有效产生和原子的多光子电离以及暗束磁光阱的制备。一些自然发散的空心光束，如拉盖尔—高斯光束、面包圈型空心光束、模输出空心光束和双高斯分布的空心光束可用于实现微观粒子的光学囚禁与四维操控以及冷原子的激光导引、漏斗、冷却与囚禁等。由于光束传播不变性，高阶的贝塞尔—高斯光束和高阶的Mathieu空心光束可用于引导和准直微观粒子，甚至产生冷原子束并实现原子束光刻术。

2005年美国斯坦福大学的Wu等人最早提到在杜克存储环中观测到了异常空心电子束：一个由外部的亮环和椭圆核组成的电子束。这种带有椭圆形实心核椭圆对称的异常空心电子束可用于研究光束的横向不稳定性，为研究储能环中的线性和非线性粒子动力学提供了一个重要的工具。

在光学领域，类比于上述异常空心电子束，文献（Y. Cai, “Model for an anomalous hollow beam and its paraxial propagation,” Optics Letters 32(21), 3179–3181 (2007)）提出了首个异常空心光束的理论模型来近似的描述异常空心光束光场，其光场描述成有限高斯模型和面包圈模型的叠加，并推导出其传输公式：

                           (1)

其中，和分别是光束在x和y方向上的束腰尺寸。

2009年，分数傅里叶变换被引入对异常空心光束的研究。不久，有学者对异常空心光束在自由空间通过带有圆孔的ABCD系统的传输特性进行研究，并提出了一个用于研究异常空心光束通过ABCD系统传输特性更加方便和高效率的途径——近似分析法。2012年，赵承良教授等人又将这两个研究方向结合起来，将分数傅里叶变换系统引入有孔径（圆孔和矩孔）的ABCD系统中，更加准确方便的研究异常空心光束的传输特性。此外，异常空心光束通过失调的一阶光学系统传输特性的也被学者研究。

异常空心光束的模型有很多，例如环形光束、贝塞尔高斯光束、高阶Mathieu光束和空心高斯光束等等。产生空心光束的方法也有很多，例如：横向模式选择法、几何光学法、空间滤波器法等多种方法。上述方法均很复杂，且制作成本较高。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种原理简单，易于实现，具有实际应用价值的异常空心光束的产生方法，并依据该方法的发明原理，提供一种结构简单，制造成本低廉的产生异常空心光束的装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种产生异常空心光束的方法，包括如下步骤：

（1）对高斯光束进行光强衰减和光束扩束处理；

（2）在空间光调制器的液晶显示屏上加载计算全息片，将扩束后的高斯光束通过空间光调制器进行光场调控；所述的计算全息片包括入射光的波长、异常空心光束在传输距离z=0处的电场分布E(x,y,0) 信息，

，

其中，和分别是所述异常空心光束光束在x和y方向上的束腰尺寸；

（3）截取由空间光调制器出射的第一级衍射光束，得到异常空心光束。