[发明专利]一种具有任意初始发射角的艾里光束产生方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光束的传输、变换和调控技术，公开了一种产生具有任意初始发射角的艾里光束的产生方法。过去的研究表明，理论立方相位图中心偏离傅立叶变换透镜光轴，可以调控艾里加速光束的传输轨迹。根据偏离立方相位图中心的位置决定艾里光束的初始发射角，可选取理论立方相位图的局部区域，制作立方相位掩膜板，来产生具有初始发射角的艾里光束，来实现调控艾里光束传输轨迹的目的。

背景技术

艾里光束是一种新型无衍射光束。它的最大特点是，在传播过程中能够横向加速，类似于弹丸在重力作用下的加速抛物弹道轨迹。沿弯曲轨迹传输的加速特性，具有绕过障碍物的能力，可应用于粒子微观操控等各种科学领域。不同的科学实验需要艾里光束沿不同的曲线轨迹传输。传统的艾里光束产生方法是利用相位调制元件，即立方相位图加载到空间光调制器中或者制作立方相位掩膜板对高斯光束进行相位调制。

G.A.Siviloglou和Chen Z G等利用傅立叶变换透镜、入射光束和空间光调制器之间中心偏离的办法，给艾里光束引入初始发射角，实现对艾里光束传输轨迹的控制[Opt.Lett.,2010,35(13):2260；Opt. Lett.,2008,33(3):207]。该方法简单而有效，但由于空间光调制器尺寸有限，引入的偏移量较小，这就大大限制了对艾里光束传输轨迹的调控范围。

根据衍射理论及艾里函数的定义，通过艾里光束立方相位板的中心偏离傅立叶变换透镜光轴的方法，利用全息打印技术制备大尺寸的相位掩模板，产生加速艾里光束并较大幅度地改变了艾里光束的初始发射角，实现大幅度调控艾里光束传输轨迹[中国激光,2017,44(8): 0805002]。该方法可以较大范围调控艾里光束初始发射角，进而控制艾里光束的传输轨迹，但需要制作足够大尺寸的相位掩模板。显然，有限尺寸的相位掩膜版不可能产生具有任意大初始发射角的艾里光束。

发明内容

本发明提供了一种产生具有任意初始发射角的加速艾里光束的产生方法。

平行光入射到立方相位掩模板，再经傅立叶变换透镜变换后得到艾里光束。利用立方相位掩膜板中心偏离光轴中心的方法，偏离距离越大，艾里光束的初始发射角变换幅度越大，艾里光束传输轨迹的调控范围也越大。

根据上述原理，利用空间光调制器或相位掩膜板可产生传输轨迹可调控的艾里光束。传统的相位调制元件——空间光调制器尺寸有限，以较为常用的Holoeye公司的空间光调制器(型号：PLUTO-VIS-016) 为例，SLM像素数为1920×1080pixel，像元尺寸为8微米，SLM的调制范围为15.36毫米×8.64毫米。因此利用空间光调制器不能引入大范围的调控错位，控制初始发射角的范围也有限。大尺寸的相位掩膜板也可以控制初始发射角，大幅度改变艾里光束传输轨迹，但大尺寸相位掩膜板加工制作成本高，太大尺度的相位掩膜版也无法高质量的加工。

本发明利用相位掩膜板中心偏离光轴中心时，入射光照到的有效相图只是立方相位图的局部小区域。通过制作局部区域相图，将立方相位局部相图中心与傅里叶变换透镜同轴，达到原立方相位掩膜板中心偏离光轴中心的同等效果。局部相图位置的选择决定原立方相位掩膜板中心与光轴中心错位的距离，与立方相位图中心错位的距离越大，所得到的艾里光束传输轨迹的初始发射角就越大。由于加工相位掩膜板的相位分布，只是截取了理论计算的立方相位图的局部区域，由于很容易可以计算任意大尺度的理论立方相位图，因而，可以很容易的加工具有任意初始发射角的相位掩膜版。

利用局部相图制作的相位掩膜版来产生艾里光束有两个优点，一是能产生具有任意初始发射角的艾里光束；二是实际加工的相位掩膜版的尺寸比整个理论计算的立方相位图尺寸小得多，加工制作的成本低，也更便于加工。由于加工的是小尺度相位掩膜板，因此对加工方式及工艺，几乎没有特殊要求。

同样地，利用空间光调制器加载局部相位图可以得到同等的效果。空间光调制器加载局部相位，具有灵活性强的特点。

本发明的技术效果：

利用改变相位掩膜板中心偏离傅立叶变换透镜光轴的位置，可以产生具有初始发射角艾里光束的原理，选取理论立方相位分布的局部区域，用来制作相位掩膜板，来产生具有初始发射角的艾里光束。由于可以选取理论立方相位图的任意区域制作相位掩膜板，因而可以产生具有任意初始发射角的艾里光束。

附图说明

图1从理论立方相位图选取局部区域的示意图。

图2产生具有任意初始发射角的艾里光束实验装置示意图。

具体实施方式