[发明专利]一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统和方法

说明书

本发明公开了一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统，包括：光源，用于产生线偏振激光；扩束准直器，用于对光源出射的线偏振激光进行扩束与准直；偏振转换器，用于将扩束后的线偏振激光转换成空间非均匀分布的矢量光场；聚焦透镜组，用于对矢量光场进行聚焦，并对矢量光场的焦斑进行调整，产生矢量拉盖尔‑高斯光场；金属圆盘，用于吸收矢量拉盖尔‑高斯光场的中心部分，由于锐边矢量衍射效应，诱导出高阶频谱分量，所述高阶频谱分量的相干叠加产生无衍射矢量贝塞尔光场。本发明通过金属圆盘的锐边衍射效应诱导高阶频谱分量，而贝塞尔光场的产生来源于这些具有圆对称分布高阶频谱分量的相干叠加，产生的光场具有无衍射传输特性以及自愈特性。

技术领域

本发明涉及贝塞尔光场的产生技术领域，具体涉及一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统和方法。

背景技术

衍射是一种常见的物理现象，空间受限的单色激光在自由空间传播瑞利距离后，就会变得衍射发散。然而，1987年美国罗切斯特大学Durnin等人从自由空间标量波动方程出发，求得零阶贝塞尔函数解析解，并在实验上证明了此解具有无衍射传播特性，从而首次提出无衍射贝塞尔光场的概念。这种光场的特点是中心光斑非常小，且在垂直于传播方向的任意平面内其光场分布是一致的，即光场在传输过程中不发散。1998年，捷克学者Bouchal等人发现了贝塞尔光束的另一个重要特性——自恢复性，即光场受到扰动甚至被部分遮挡时，在传输一段距离后能够重新恢复初始贝塞尔光场的特性。近期研究还表明，贝塞尔光场在空间中传输时受到大气湍流的扰动和在非均匀介质受到的散射影响比高斯光场要小的多。基于以上特性，无衍射贝塞尔光场被广泛应用于微粒操控、生物光子学、非线性光学和大气激光通信等领域。

目前，产生贝塞尔光场的方法有很多，主要分为主动式和被动式两大类。其中，主动式主要利用激光谐振腔并结合相关晶体元件器直接输出无衍射贝塞尔光场；被动式则在腔外将高斯光场转换为无衍射贝塞尔光场，所用到的方法主要涉及全息图、轴棱锥、空间光调制器、模式叠加等技术，其系统相对复杂且成本较高，其中，全息图法对全息片的质量要求较高；轴棱锥法可以产生长距离无衍射传输的贝塞尔光场，但对器件的加工精度要求非常高。

偏振是光场的重要基本属性，常用的光场偏振态有线偏振、圆偏振、椭圆偏振等，这类光场也称之为标量光场。近年来，矢量光场，一种空间偏振态呈非均匀分布的光场，作为一种新颖的空间结构光场而倍受人们关注。然而，以上所述的无衍射贝塞尔光场均没有涉及到光场的矢量特性，目前少有研究对无衍射矢量贝塞尔光场进行深入研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统和方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统，包括：光源，用于产生线偏振激光；扩束准直器，用于对光源出射的线偏振激光进行扩束与准直；偏振转换器，用于将扩束后的线偏振激光转换成空间非均匀分布的矢量光场；聚焦透镜组，用于对矢量光场进行聚焦，并对矢量光场的焦斑进行调整，产生矢量拉盖尔-高斯光场；金属圆盘，用于吸收矢量拉盖尔-高斯光场的中心部分，由于锐边矢量衍射效应，诱导出高阶频谱分量，所述高阶频谱分量的相干叠加产生无衍射矢量贝塞尔光场。

优选地，所述聚焦透镜组包括：依次设置的第一透镜和第二透镜；所述第一透镜，用于对矢量光场聚焦，在焦平面产生矢量拉盖尔-高斯光场；所述第二透镜，用于调节拉盖尔-高斯光场的光斑尺寸。

优选地，所述金属圆盘的厚度为微米量级或者亚微米量级，制作于透明衬底上。

优选地，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆盘是在玻璃基底上镀厚度为200nm，直径为1mm的金膜制成。

优选地，所述光源为具有竖直方向偏振的单色激光源。

优选地，所述矢量光场为径向偏振光或旋向偏振光。