自由空间形成时空艾里聚束的方法技术

是一种基于光束传输理论和空间诱导色散效应，在自由空间形成线性时空艾里聚束的方法。该方法首先利用衍射光学元件——相位掩膜板，在自由空间形成二维空间艾里光束，然后利用空间无衍射光束在自由空间传输所产生的空间诱导色散效应，使得空间为艾里分布的脉冲光束在自由空间传输过程中，脉冲时域分布也逐渐演化为艾里分布。结果，在自由空间，形成了时空域皆为艾里分布的、能稳定传输的线性时空艾里局域光束。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】是一种基于光束传输理论和空间诱导色散效应，在自由空间形成线性时空艾里聚束的方法。该方法首先利用衍射光学元件——相位掩膜板，在自由空间形成二维空间艾里光束，然后利用空间无衍射光束在自由空间传输所产生的空间诱导色散效应，使得空间为艾里分布的脉冲光束在自由空间传输过程中，脉冲时域分布也逐渐演化为艾里分布。结果，在自由空间，形成了时空域皆为艾里分布的、能稳定传输的线性时空艾里局域光束。【专利说明】
本专利技术涉及光束的传输与变换技术，是一种利用光学相位调制元件和色散补偿元 件，利用局域空间无衍射光束在自由空间传输过程中的空间诱导色散效应，在自由空间形 成时空域均为艾里分布的局域光束的方法。
技术介绍
衍射和色散是光波的基本传输现象。就光的本性而言，衍射的存在使得光束在传 输过程中空间扩展，色散的存在使得脉冲光束在传输过程中时域展宽甚至变形。但在强场 科学、生物光学、原子光学、光谱学等研究领域，特别需要一种可长距离稳定传输的光束。因 此，长期以来，为实现光波的远距离稳定传输，人们做了很多努力。借助于某些传输介质的 非线性效应，在时、空阈分别平衡波包的色散和衍射效应，虽能形成空时不扩展传输的三维 孤子。但衍射与非线性之间的匹配条件，以及色散与非线性之间的匹配条件，意味着形成孤 子需要极高的光波峰值功率，这限制了三维孤子的使用。比如，就不能用高功率孤波来探测 生物组织。此外，非线性孤波并不能存在于自由空间，它只有在非线性介质中才能维持稳态 传输，而且传输条件极其苛刻，稍有偏离即会破坏稳定，这大大妨碍了它的实际应用范围。 真正在自由空间实现无衍射局域光束是在1987年，一种具有空间贝塞尔分布的 无衍射光束--贝赛尔光束的产生，标志着线性时空局域光束真正的产生了，无衍射贝塞 尔光束能在很长的传输距离内保持强度分布不变，因此被广泛应用到很多研究领域。 1979年，理论上预言了一种新的无衍射光束--艾里光束的存在（American Association of Physics Teachers, Vol. 47，Νο·3, 264?267，1979)。2007 年，在实验室 形成了艾里光束（Physical Review Letters, Vol. 99，No. 21，213901，2007)。不同于贝 赛尔光束，艾里光束由于具有横向自由加速的特性，是近几年的研究热点。 艾里光束是具有三次位相结构的光波经傅立叶变换透镜会聚所得，光束的主瓣大 小约为波长量级，与普通光波经透镜会聚后所得焦点的大小相近，因而光能量非常集中。由 于无衍射艾里光束在长距离传输过程中，能始终保持光波能量空间不扩散，这等价于光束 具有很长的焦深，因此特别适合于光与物质的相互作用。艾里光束用于光与物质相互作用 时，经常要求超高功率密度，所以实验中经常使用的是超短脉冲艾里光束。脉冲艾里光束在 传输过程中，我们不仅希望它能保持空域不衍射，也希望它能保持时域不扩展。 总之，由于人们知道波动方程具有贝赛尔函数和艾里函数这样的不扩散传输模 式，因此，人们试图构造这样一种脉冲光束：它的时、空域均为艾里或贝赛尔分布。显然，这 种光束在传输过程中，时、空均能保持稳定的不扩散模式。这种传输行为很像粒子，因此，人 们也把这种时空局域波包形象的命名为线性时空局域光束或光弹，随之，时空艾里-贝塞 尔局域光束被产生（Nature. Photonics, Vol. 4，103?106，2010)。 既然艾里函数也是波动方程的不扩散传输模式，因此，人们希望得到这样一种光 束，这种光束不仅空域分布为二维艾里分布函数，而且一维时域分布也为艾里分布函数，这 种光束即为时空艾里局域光束，如此时空均不扩散的光束无疑是线性时空局域光束。 由于在空间域产生二维艾里光束的方法已经成熟。因此，形成时空艾里局域光束 的关键是，通过特定的技术，能使脉冲的时域分布也演化为艾里分布。过去，将空域为二维 艾里分布的光束耦合到波导介质，利用波导的三阶色散效应，结果使得脉冲艾里光束在时 域也演化为艾里分布，最终形成了时空艾里局域光束。这里需要指出，虽然利用波导介质中的二、三阶色散效应，能够形成时空艾 里局域光束，但这种方法存在着巨大局限。主要体现在： a)二维艾里光束并不能很容易的耦合到波导介质中。 b)由于波导尺寸有限，会空间切割艾里光束，被切割的艾里光束很难再保持长距 离的无衍射传输（Physical Review Letters, Vol. 99，No. 21，213901，2007)。 c)强的脉冲艾里光束在波导介质中传输时，光强所致的波导介质非线性效应会改 变艾里光束的分布结构（Physical Review Letters, Vol. 106，No. 21，213903，2011)。 toon] d)由于波导介质很难承受高强度光束。结果，利用这种方法并不能形成高功率的 时空艾里局域光束。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服利用波导介质中的三阶色散形成时空艾里局域光束的局 限，是一种利用空间诱导的色散效应，来形成时空艾里局域光束的方法。 本专利技术的最大好处，是利用色散管理元件补偿空间诱导的二阶色散效应，利用空 间诱导的三阶色散效应，使得空间为艾里分布的脉冲光束在自由空间传输过程中，时域分 布也逐渐演化为艾里分布。最后形成了时空域皆为艾里分布的时空艾里局域光束。由于无 需借助波导，因此这种方法特别易于形成超高功率时空艾里局域光束。 由于本专利技术主要利用空间诱导色散效应使脉冲光束的时域分布演化为艾里分布， 因此先介绍脉冲艾里光束在自由空间传输过程中的空间诱导色散效应。 理论上，理想艾里光束可在无限长的距离内，保持光强模式不变的无衍射传输，艾 里光束的振幅表达式为： 【权利要求】1. 一种利用空间诱导的色散效应形成时空艾里局域光束的方法；其特征在于该方法 是在自由形成二维空间艾里光束方法的基础上，直接利用空间诱导的三阶色散效应，使得 空间为艾里分布的脉冲光束在自由空间传输过程中，时域分布也逐渐演化为艾里分布，最 后在自由空间形成空域不衍射、时域不扩展的线性时空艾里局域光束。2. 根据权利要求1所述的利用空间诱导的色散效应形成时空艾里局域光束的方法，其 特征在于该方法的具体步骤如下： (1) 首先形成空间艾里光束，脉冲激光束（1)经激光直写系统刻写的具有三次位相结构 的相位掩膜板（2)调制后，经傅立叶变换透镜（3)会聚后，在傅立叶变换透镜（3)的焦点（4) 处形成空间分布为二维艾里函数的艾里光束（5)，在焦点（4)处，艾里光束（5)的时域分布 与光束（1)相同； (2) 然后形成时空艾里局域光束，空间艾里光束（5)在自由空间传输时，利用色散管理 元件（6)补偿二阶空间诱导色散效应，然后艾里光束在自由空间传输过程中，受空间诱导三 阶色散效应的影响，时域开始逐渐演化为艾里分布，在位置（7)，艾里光束（5)的时域分布 完全演化为艾里分布，在位置（7)后传输的光束即为时空艾里局域光束（8)。3. 根据权利要求2所述的利用空间诱导的色散效应形成时空艾里局域光束的 方法，其特征在于该方法能够改变形成时空艾里局域光束（8)所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用空间诱导的色散效应形成时空艾里局域光束的方法；其特征在于该方法是在自由形成二维空间艾里光束方法的基础上，直接利用空间诱导的三阶色散效应，使得空间为艾里分布的脉冲光束在自由空间传输过程中，时域分布也逐渐演化为艾里分布，最后在自由空间形成空域不衍射、时域不扩展的线性时空艾里局域光束。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：任志君，李晓东，吴疆苗，陈晨，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33