[发明专利]一种类艾里光束的产生方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种类艾里光束的产生方法及装置。

背景技术

量子力学中的薛定谔方程给出了多种无衍射波的理论预言，后来通过薛定谔方程和衍射中的旁轴方程之间的数学对应关系，开始在光学领域系统地研究无衍射光束。三十多年前，Berry和Balazs在量子力学领域做了一个重要的预言：薛定谔方程具有一个遵循艾里函数的波包解。理论研究发现，艾里波包具有一些显著的特性：无衍射、自横向加速，自愈等。Berry认为，艾里波包是一维薛定谔方程唯一的无衍射解。然而，这一工作没有引起人们的关注，其原因是理论上的艾里波包携带无穷多的能量，这在现实中显然是不能实现的，因此这一结果没有成功引领科研人员在实验上实现自加速的艾里波包。直到2007年，美国中弗罗里达大学的Georgios Siviloglou等人重新对Berry的工作进行了研究，发现被指数“截趾”的艾里函数也是薛定谔方程的解，基于这一发现他们在实验上第一次实现了携带有限能量艾里光束的产生。

在过去短短的几年时间里,艾里光束的奇异特性使得它具有一些很特殊的应用价值，人们对它的研究涉及了理论和实验、线性和非线性、基础研究和潜在应用等多个方面。艾里光束先后被应用到了光学微粒操控、光子弹及等离子体通道的产生、表面等离子体激元的诱导、电子加速、艾里激光器等众多研究领域,推动自加速光的研究成为一个激动人心的前沿课题。

现有的艾里光束的产生方法有引入衰减因子法、高斯激光束调制法、二维波导阵列法等。然而，这些方法并不能够改变艾里光束的空间拓扑结构和形状，这难以为艾里光束在构建自会聚光束、微粒操控、光子弹等方面的应用提供较多的自由度。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种类艾里光束的产生方法及装置，该方法可对光束的空间拓扑结构和形状进行调控。

本发明提供一种类艾里光束的产生方法，其包括以下步骤：

(1)由激光器发出高斯光束，并将所述高斯光束进行准直和扩束；

(2)将准直扩束后的高斯光束投射到分光棱镜上以进行分光；

(3)在空间光调制器上预先加载一相位图形，并通过加载了相位图形的空间光调制器对将分光后的高斯光束进行相位调制，其中，所述相位图形为通过计算机在原立方相位中x轴与y轴之间引入旋转角度θ因子得到，所述旋转角度θ满足：0°＜θ＜360°；

(4)将经过相位调制后的高斯光束通过一傅里叶透镜进行傅里叶变换，得到类艾里光束。

进一步对所述类艾里光束进行放大和接收的步骤，具体包括：将所述类艾里光束通过显微物镜放大，再通过图像传感接收器接收。

本发明还提供一种类艾里光束的产生装置，其包括：

激光器，用于发出高斯光束；

准直扩束镜，用于对高斯光束进行准直和扩束；

分光棱镜，用于对准直和扩束后的高斯光束进行分光；

计算机，用于向空间光调制器预先加载一相位图形，所述相位图形为通过计算机在原立方相位中x轴与y轴之间引入旋转角度θ因子得到，所述旋转角度θ满足：0°＜θ＜360°；

空间光调制器，其通过预先加载的相位图形而对所述高斯光束进行相位调制；

傅里叶透镜，用于对经过相位调制的光束进行傅里叶变换以得到类艾里光束。

其中，还包括显微物镜和图像传感接收器，所述显微物镜用于将所述类艾里光束放大，所述图像传感接收器用于接收类艾里光束。

与现有技术相比，本发明所述类艾里光束的产生方法及装置具有以下优点：由于通过在原立方相位中增加一个调控波前的因子，即在原立方相位中x方向与y方向之间引入旋转角度θ因子，从而调控光束波前传播特性，获得具有不同角度和形状的类艾里光束，进而改变光束的空间拓扑结构和分布，更加灵活地控制光束的传播，为其在许多应用如构建自会聚光束、微粒操控、光子弹等方面提供更多的自由度。该类艾里光束具有与传统的艾里光束相似的特性，如无衍射，自愈，自加速特性，并且该光束在构建自会聚光束、等离子体、微粒操控、光子弹、艾里激光器和大气传输等方面均具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的类艾里光束的产生装置的结构示意图。

图2为本发明实施例在空间光调制器上加载的相位图形，其中旋转角度θ＝45°。

图3为图2得到的类艾里光束的光场分布图。

图4为本发明实施例在空间光调制器上加载的相位图形，其中旋转角度θ＝135°。

图5为图4得到的类艾里光束的光场分布图。