基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法及产生装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于光束调控技术领域，具体涉及一种基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法及产生装置。基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法包括以下步骤：1)对自加速子光束的角谱函数进行调控并线性叠加；2)调整位移调控参量Δx和Δz，实现沿弯曲轨迹的光场强度再分配；3)加载角谱函数

Generation method and generating device of non paraxial self accelerating beam based on angular spectrum regulation

The invention belongs to the field of beam control technology, in particular to a non paraxial self accelerating beam generation method and generating device based on angular spectrum regulation. Non paraxial beam self accelerating method comprises the following steps: 1 based on the angular spectrum regulation) of self accelerating beam angle spectrum function regulation and linear superposition; 2) adjust the displacement control parameters of X and Z, to achieve light intensity redistribution along the curved path; 3) loading angle spectrum function

【技术实现步骤摘要】
基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法及产生装置
本专利技术属于光束调控
，具体涉及一种基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法及产生装置。
技术介绍
自弯曲、无衍射、自愈合传播的独特动力学特性在违背人们对于光束沿直线传播的“亘古不变”的认知的同时，也使自加速光束逐渐发展成为新型光场中的研究热点，并迅速在光学微操控、光学显微及超分辨成像、等离子体信道及表面等离激元等领域得到应用。随着自弯曲光束的理论研究及相关应用研究的推广和深入，对光束的传播轨迹提出了更为复杂化和实际化的需求，根据实际需要实现空间任意弯曲传播轨迹的非傍轴自加速光束的研究具有重要的科学意义和实际应用价值。最早实现的自加速光束是傍轴近似条件下求解赫姆霍兹方程得到的，因此受傍轴近似条件的限制无法实现大角度的弯曲轨迹传播。为解决这一问题，研究者从非傍轴波动方程出发求解不同坐标系下非傍轴自加速光束的解，先后实现了半贝塞尔光束、韦伯自加速光束、马丢自加速光束等的非傍轴自加速光束。该方法虽然克服了傍轴近似的小角度限制，但是通过数学坐标系间投影变换求解得到的自加速光束解是有限的，有且仅有圆柱坐标系、抛物柱坐标系、椭柱坐标系三种数学坐标系下的解，并且其传播轨迹均为圆锥曲线型。所以，要想得到复杂的空间任意加速轨迹的自加速光束通过求解方程的方法是难以实现的。之后，有研究者提出利用调控沿直线传播的无衍射贝塞尔光束来实现复杂的弯曲轨迹传播(JEMorris,TCizmár,HICDalgarnoetal.RealizationofcurvedBesselbeams:propagationaroundobstructions[J].JournalofOptics,2010,12:124002)。例如，将一项含有轴向空间位移的相位分量引入到原有的贝塞尔光束的涡旋相位中，使贝塞尔光束主瓣中心绕轴做螺旋移动，从而实现沿某一直线螺旋传播的自加速光束。类似地，有学者进一步提出采用多个贝塞尔光束的叠加来实现自加速光束(AhmedH.Dorrah,MichelZamboni-Rached,andMoMojahedi.FrozenWavesfollowingarbitraryspiralandsnake-liketrajectoriesinair[J].AppliedPhysicsLetters,2017,110:051104)。多个贝塞尔光束叠加时，仅含有横向空间坐标的不同阶次涡旋相位在不改变光束横向场分布的前提下进行叠加，实现光场中心横向坐标的变化从而获得自加速光束。这两种方法都是将原本沿直线传播的无衍射贝塞尔光束调制为在三维空间中弯曲轨迹传播的自加速光束，其弯曲轨迹具有旋转对称性且为单凸曲线(即弯曲轨迹的弯曲方向恒朝向传播方向一侧)。当需要实现横向光场分布不具有中心对称性或弯曲轨迹为非单凸型或弯曲轨迹不需要周期性相似等多种实际应用时，该方案难以实现。此外，所得到的自加速光束难以获得精确的传播方程，仅通过入射端面方程来描述加速轨迹难以保证其在长距离传播过程中波形的无衍射。有学者从几何光学的角度出发来获得复杂轨迹类贝塞尔自加速光束(IoannisD.Chremmos,NikolaosK.Efremidis.NonparaxialacceleratingBessel-likebeams[J].PhysicalReviewA,2013,88:063816)。入射端面上各点发出的光线在空间中叠加形成弯曲轨迹的自加速光束，光线满足稳相条件与轨迹上某点相切，通过设计入射端面光线的出射角度即可产生对应的弯曲轨迹。但在实际应用中，当需要产生诸如S型弯曲传播轨迹的满足非单凸函数分布的复杂弯曲轨迹自加速光束时，入射端面上发出的光线在与轨迹上某点相切的同时可能会与轨迹上另一点相交，存在多解，因此无法获得相应的入射端面的相位信息，难以产生满足非单凸函数分布的光束轨迹。此外，也有学者利用镜面或者复杂介质对于光束的调制作用实现光束的加速传播。对于实际需要中更为复杂的光束需求来说，到目前仍然没有一种较为普遍的按实际需要实现复杂弯曲轨迹自加速光束的方法。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的上述技术问题，本专利技术提供一种基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法及产生装置。本专利技术的技术解决方案是：一种基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)对自加速子光束的角谱函数进行调控并线性叠加：其中，为第i个已知的自加速子光束的角谱函数或根据选取已有的复杂光场通过傅立叶逆变换得到的角谱函数，为调控得到的自加速子光束的角谱函数；i＝1，2，……，N；N为大于或等于2的整数；为方位角；Δx和Δz为位移调控参量；2)调整位移调控参量Δx和Δz，实现沿弯曲轨迹的光场强度再分配；3)加载角谱函数到非傍轴自加速光束的角谱展开式中，得到具有弯曲传播轨迹的非傍轴自加速光束：其中，E(x,y,z)为非傍轴自加速光束的三维电场值，k为波矢，(x,y,z)为直角坐标系下的光场点坐标。本专利技术还提供另一种基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)对自加速子光束的角谱函数进行调控并线性叠加：其中，为第i个已知的自加速子光束的角谱函数或根据选取已有的复杂光场通过傅立叶逆变换得到的角谱函数，为调控得到的自加速子光束的角谱函数；i＝1，2，……，N；N为大于或等于2的整数；为方位角；Δx和Δz为位移调控参量；2)调整位移调控参量Δx和Δz，实现沿弯曲轨迹的光场强度再分配；3)加载角谱函数到非傍轴自加速光束的角谱展开式中，得到具有弯曲传播轨迹的非傍轴自加速光束：其中，E(x,y,z)为非傍轴自加速光束的三维电场值，k为波矢，(x,y,z)为直角坐标系下的光场点坐标，为切趾函数。进一步地，上述切趾函数为：其中，l为离散化调控系数，l≥1。本专利技术还提供一种基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生装置，其特殊之处在于：包括激光器、第一分束镜和空间光调制器，所述激光器发射的激光经第一分束镜后进入空间光调制器调制产生自加速光束；所述空间光调制器上加载有非傍轴自加速光束的计算全息图，所述非傍轴自加速光束的角谱展开式为或者其中，E(x,y,z)为非傍轴自加速光束的三维电场值，为角谱函数，k为波矢，(x,y,z)为直角坐标系下的光场点坐标；其中，为第i个已知的自加速子光束的角谱函数或根据选取已有的复杂光场通过傅立叶逆变换得到的角谱函数，为调控得到的自加速子光束的角谱函数；i＝1，2，……，N；N为大于或等于2的整数；为方位角；Δx和Δz为位移调控参量。进一步地，上述基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生装置还包括第二分束镜、显微物镜和CCD相机；空间光调制器调制产生的自加速光束经第二分束镜后进入显微物镜，显微物镜的后焦面处放置可轴向移动的反射镜，CCD相机配合反射镜的轴向移动对自加速光束进行扫描。进一步的，空间光调制器调制产生的自加速光束经过两个透镜组成的4f系统后到达第二分束镜。本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术通过角谱调控不仅克服了傍轴近似条件的限制，理论上还可以实现任意角度弯曲的自加速光束；2)本专利技术提出的基于角谱调控的非傍轴自加速光束的产生方法主要依赖于光束角谱函数的推导和加载，不依赖于特殊的传播介质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对自加速子光束的角谱函数进行调控并线性叠加：

【技术特征摘要】
1.一种基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对自加速子光束的角谱函数进行调控并线性叠加：其中，为第i个已知的自加速子光束的角谱函数或根据选取已有的复杂光场通过傅立叶逆变换得到的角谱函数，为调控得到的自加速子光束的角谱函数；i＝1，2，……，N；N为大于或等于2的整数；为方位角；Δx和Δz为位移调控参量；2)调整位移调控参量Δx和Δz，实现沿弯曲轨迹的光场强度再分配；3)加载角谱函数到非傍轴自加速光束的角谱展开式中，得到具有弯曲传播轨迹的非傍轴自加速光束：其中，E(x,y,z)为非傍轴自加速光束的三维电场值，k为波矢，(x,y,z)为直角坐标系下的光场点坐标。2.一种基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对自加速子光束的角谱函数进行调控并线性叠加：其中，为第i个已知的自加速子光束的角谱函数或根据选取已有的复杂光场通过傅立叶逆变换得到的角谱函数，为调控得到的自加速子光束的角谱函数；i＝1，2，……，N；N为大于或等于2的整数；为方位角；Δx和Δz为位移调控参量；2)调整位移调控参量Δx和Δz，实现沿弯曲轨迹的光场强度再分配；3)加载角谱函数到非傍轴自加速光束的角谱展开式中，得到具有弯曲传播轨迹的非傍轴自加速光束：其中，E(x,y,z)为非傍轴自加速光束的三维电场值，k为波矢，(x,y,z)为直角...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩国霞，姚保利，黄张翔，张鹏，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61