[发明专利]一种抑制有限尺寸无衍射光束轴向光强振荡的光阑及方法

说明书

本发明公开了一种抑制有限尺寸无衍射光束轴向光强振荡的光阑及方法；所述光阑的透光孔上任意半径r对应的圆周上透射区域的占空比等于软边界切趾技术中的所述半径r的圆周上的振幅透射系数，表示为：其中，T(r)为软边界切趾技术中的振幅透射系数函数，为所述光阑的透光孔上任意半径r对应的圆周上透射区域对应的圆心角。本发明在效抑制有限尺寸无衍射光束轴向光强振荡的前提下，相比于现有的软边界切趾技术，更加容易实施，显著提高了工作效率，也能够提高精度并降低成本。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是指一种抑制有限尺寸无衍射光束轴向光强振荡的光阑及方法。

背景技术

无衍射光束的概念由Durnin等人首次提出，它是一类特殊光束，当它在自由空间中进行传播时，在垂直于传播方向的任何横截面上，光强分布保持不变。由于无衍射光束的光强分布不依赖于轴向位置，大大降低了对于实验系统在精确对准方面的要求，提高了系统的稳定性和精确度，因而它在激光加工、干涉测量、光学捕获等方面均存在广泛的应用前景。从数学的观点上说，无衍射光束能够满足自由空间中光波的波动方程，或者说无衍射光束是自由空间中波动方程的解。

但是，由于无限大尺寸的无衍射光束包含无限大能量，因而，实际应用中无法产生无限大尺寸的无衍射光束，只能获得有限尺寸的无衍射光束。从理论上说，无限大尺寸的无衍射光束经过有限尺寸的圆孔后就可以得到有限尺寸的无衍射光束。

无限大尺寸的无衍射光束透过有限尺寸的圆孔后，在通过圆孔中心的光轴方向上，光强分布存在着明显的振荡，这是由于圆孔的边界对入射光场的突然阻断产生了强烈的衍射效应所导致的。为抑制轴向光强的振荡效应，现有技术中，通常采用如下方式进行解决：在圆孔平面上，放置一个渐变的振幅调制板，以便在圆孔的边界附近让入射光的振幅透射系数由1逐渐降为0，进而抑制轴向光强的振荡。例如，当振幅透射系数采用三角函数由1逐渐减小到0时，可实现轴向光强振荡的完美抑制，重新获得稳定的轴向光强分布。在以上的方案中，由于振幅透射系数由1逐渐减小到0，其一般被称为软边界，而实现上述软边界的技术，称之为软边界切趾技术。

尽管利用上述方法可以在理论上获得稳定的轴向光强分布，但是，在实际应用中面临如下两个困难：第一，振幅调制板通常使用空间光调制器来实现，但利用空间光调制器所获得的振幅调制很难与理论设计的数值完全相同，这种振幅透射系数的差异对最终的衍射光强的影响有待进一步研究；第二，为达到对振幅调制的精确控制，既要求空间光调制器的整体尺寸较大，又要求其空间分辨率尽量高，而这两方面很难同时达到要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种有效且易于实施的抑制有限尺寸无衍射光束轴向光强振荡的光阑及方法。

基于上述目的本发明提供的一种抑制有限尺寸无衍射光束轴向光强振荡的光阑，所述光阑的透光孔上任意半径r对应的圆周上透射区域的占空比等于软边界切趾技术中的所述半径r的圆周上的振幅透射系数，表示为：

其中，T(r)为软边界切趾技术中的振幅透射系数函数，为所述光阑的透光孔上任意半径r对应的圆周上透射区域对应的圆心角。

在一些实施方式中，软边界切趾技术中的振幅透射系数函数为三角函数，其表达式为：

其中，R为软边界切趾技术中的透光孔外圆半径，εR为软边界切趾技术中的透光孔内圆半径，ε为平滑参数；

则经过数学变换，能够得到所述透射孔的边界方程：

在一些实施方式中，软边界切趾技术中的振幅透射系数函数为线性函数，其表达式为：

则经过数学变换，能够得到所述透射孔的边界方程：