产生双指数贝塞尔高斯光束的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种产生双指数贝塞尔高斯光束的方法及系统，为了实现多个不同横向波矢、具有特定振幅的贝塞尔高斯光束的叠加而设计。本发明专利技术线偏振的高斯光束首先经过涡旋相位板，向线偏振的高斯光束引入相位因子，产生高斯涡旋光束；然后高斯涡旋光束经过加载有至少两个环状振幅全息图的振幅空间光调制器，通过调控环状振幅全息图的透光率，进而调控高斯涡旋光束(双指数贝塞尔高斯光束)的振幅，产生双指数贝塞尔高斯光束角谱函数；最后，进行傅里叶变换，产生双指数贝塞尔高斯光束。本发明专利技术双指数贝塞尔高斯光束叠加的灵活性更高，产生双指数贝塞尔高斯光束的操作也较为简单。

Method and system for producing two exponential bbeer Gaussian beams

The invention relates to a method and system for generating double exponential Bessel Gauss beam, in order to achieve multiple overlapped transverse wave vectors and the superposition of Bessel Gauss beams with specific amplitude. The polarization of the Gauss beam line first passes through the vortex phase plate, introducing phase factor to Gauss beam polarization, Gauss vortex beam; then Gauss vortex beam through loading amplitude spatial light modulator at least two annular amplitude hologram, light transmission through the regulation of ring amplitude hologram rate, and control the Gauss vortex beams (double index Bessel Gauss beam) amplitude, double index Bessel Gauss beam angle spectrum function; finally, Fourier transform, double index Bessel Gauss beam. The superposition of the double exponential Bessel Gauss beam of the invention is more flexible, and the operation of producing the double exponential Bessel Gauss beam is relatively simple.

【技术实现步骤摘要】
产生双指数贝塞尔高斯光束的方法及系统
本专利技术涉及一种产生双指数贝塞尔高斯光束的方法及系统。
技术介绍
自从Durnin提出并在实验上产生贝塞尔光束以来，大量的工作都用来研究这种特殊的光束，因为它的两个主要特性，即无衍射性和自修复性。这些特性使得贝塞尔光束在粒子加速、医学成像、材料检测、光学微操作、光学捕获等领域有重要应用。由于理想的贝塞尔光束有无限打的径向，携带无穷大的能量，使得理想的贝塞尔光束在物理中是无法产生的，所以在实验中只能产生近似的贝塞尔光束，这些近似的贝塞尔光束可以在相当远的传播距离中具有贝塞尔光束的主要特性，贝塞尔高斯光束就是其中一种，同时实验上也是很容易产生的。实验中也在不断改进方法来提高贝塞尔光束的产生质量。目前主要的产生贝塞尔光束的方法有很多，用平行光经过一个圆环后用透镜聚焦，可以在透镜焦平面上产生零阶贝塞尔光束是最早的方法。随着技术的进步，用平行光经过棱镜可以产生零阶贝塞尔光束，也可以用拉盖尔高斯光束经过棱镜产生高阶阶贝塞尔光束。后来用空间光调制器结合全息图可以产生各种贝塞尔光束，而谐振腔、折射系统、干涉仪、衍射相位元件等也可以用来产生贝塞尔光束。实现贝塞尔光束叠加的方法主要是利用空间光调制器加载全息图来实现。单空间光调制器实现贝塞尔光束的叠加是指利用一台空间光调制器加载了环状的相位全息图将入射的光场直接转变为多个贝塞尔光束叠加的光场(VasilyeuR,DudleyA,KhiloN,etal.Generatingsuperpositionsofhigher–orderBesselbeams[J].Opticsexpress,2009,17(26):23389-23395.)。双空间光调制器实现矢量贝塞尔光束的叠加是指利用空间光调制器只调制水平方向的光束的性质，先让水平入射光场入射一台加载了螺旋轴棱镜相位全息图的空间光调制器产生贝塞尔光束，再经过半波片让光束分成水平和竖直两个方向，随后通过第二台空间调制器对矢量贝塞尔光束的水平分量进行调制，最后让矢量贝塞尔光束的两个分量进行叠加的方法(FuS,ZhangS,GaoC.Besselbeamswithspatialoscillatingpolarization[J].ScientificReports,2016,6.)。单空间光调制器法只能实现是径向波矢相同的贝塞尔光束的叠加，并且无法对贝塞尔光束的振幅进行控制。双空间光调制器实现矢量贝塞尔叠加法除了上面两个缺点外，只能实现两个贝塞尔光束的叠加，多个的无法实现，而且经过两个空间光调制器是光的能耗利用率大大降低。鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种产生双指数贝塞尔高斯光束的方法及系统，使其更具有产业上的利用价值。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种实现多个不同横向波矢贝塞尔高斯光束的叠加，并且对多个贝塞尔高斯光束进行振幅控制的产生双指数贝塞尔高斯光束的方法及系统。为达到上述专利技术目的，本专利技术产生双指数贝塞尔高斯光束的方法，包括：线偏振的高斯光束首先经过涡旋相位板，向线偏振的高斯光束引入相位因子，产生高斯涡旋光束；然后高斯涡旋光束经过加载有至少两个环状振幅全息图的振幅空间光调制器，通过调控环状振幅全息图的透光率，进而调控高斯涡旋光束的振幅，产生双指数贝塞尔高斯光束的角谱函数；最后，经过振幅调控后的高斯涡旋光束进行傅里叶变换，产生双指数贝塞尔高斯光束。进一步地，所述的高斯光束经过涡旋相位板前首先经过衰减片，调节出射基模高斯光束的光强，然后经过扩束镜扩展所述高斯光束的光斑尺寸以及对所述高斯光束进行准直处理。进一步地，通过傅里叶透镜对所述双指数贝塞尔高斯光束进行傅里叶变换，所述傅里叶透镜距离所述振幅空间光调制器的距离为f0，其中f0为傅里叶变换透镜的焦距。进一步地，还包括记录在傅里叶平面处的双指数贝塞尔高斯光束的光强。进一步地，所述的双指数贝塞尔高斯光束在傅里叶面上的解析表达式如下所示：其中，r,θ是光源面上径向和角向坐标,k0＝2π/λ是波数，λ是波长,ωg代表高斯包络的宽度,贝塞尔光束的角孔径,l是拓扑荷，p是径向指数,Jl是l阶第一类贝塞尔函数；系数Cn满足的等式为：是角向指数分别为p和l的拉盖尔多项式；角孔径满足等式：ω0与产生的双指数贝塞尔高斯光束尺寸相关一个常数；ηn是如下方程组的根：方程组(4)有p+1个根，每一个根对应的代表拉盖尔高斯光束径向强度极大值的位置。ξ1l是如下方程Jl-1(ξ)-Jl+1(ξ)＝0(5)大于零的第一个根；双指数贝塞尔高斯光束的角谱是双指数贝塞尔高斯光束的傅里叶变换：其中，是角谱面上极坐标系下径向和角向坐标，f是一个大于零的常数将等式(1)带入到(2)中，得到双指数贝塞尔高斯光束的角谱解析表达式：其中ωq＝2f/k0ωg，Il是l阶第一类修正贝塞尔函数。从公式(7)可以看出，双指数贝塞尔光束除去公共的因子以外，其振幅表达式和相位分布式可以分离变量的，即可以独立调控其振幅和相位得到公式(7)对应的角谱分布函数；公式(7)中的振幅分布为：相位分布为傅里叶变换透镜在距离透镜后f0处，对角谱函数作了一个傅里叶变换，即把公式(7)代入公式(10)积分后得到：透镜焦距f0等于角谱函数中的常数f，在傅里叶透镜距离f0处，产生双指数贝塞尔光束。为达到上述专利技术目的，本专利技术产生双指数贝塞尔高斯光束的系统，包括：沿偏振高斯光束传输方向上依次设置的涡旋相位板、用于加载至少两个环状振幅全系图的振幅空间光调制器以及经振幅空间光调制器输出的双指数贝塞尔高斯光束进行傅里叶变换的傅里叶透镜。进一步地，所述涡旋相位板为具有固定折射率的透明板，所述涡旋相位板的入射面为平面结构，出射面为旋转台阶的不规则涡旋面结构，所述涡旋面的厚度随着方位角的增加而增加。进一步地，所述傅里叶透镜距离所述振幅空间光调制器的距离为f0，其中f0为傅里叶变换透镜的焦距。进一步地，还包括设置在在傅里叶平面处，用于记录双指数贝塞尔高斯光束的光强的光束分析仪。进一步地，还包括所述的振幅空间光调制器和光束分析仪分别连接的计算机。借由上述方案，本专利技术产生双指数贝塞尔高斯光束的方法及系统至少具有以下优点：本专利技术高斯光束首先经过涡旋相位板，产生高斯涡旋光束，高斯涡旋光束进过加载有多个环状振幅的全息图，产生双指数贝塞尔高斯光束。通过涡旋相位板调节角谱函数的相位部分，通过调整振幅全息图的透光率调控振幅函数。产生的贝塞尔高斯叠加光束是具有不同径向波数的贝塞尔高斯光束的叠加，可同时实现对多个贝塞尔高斯光束的叠加。并且还可以通过系数Cn每个对叠加光束的振幅进行控制，且操作简单，光源能量利用率高。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1是本专利技术产生双指数贝塞尔高斯光束系统的示意图；图中1、光源；2、衰减片；3、扩束镜；4、涡旋相位板；5、透射式空间光调制器；6、傅里叶透镜；7、光束分析仪；8和9、计算机；图2是本专利技术产生双指数贝塞尔高斯光束方法的实施例1的理论计算图；(a)l＝2,p＝1的角谱；(b)l＝1,p＝1的角谱；(c)l＝2,p＝2的角谱；(d)l＝2,p＝1的叠加光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生双指数贝塞尔高斯光束的方法，其特征在于，包括：线偏振的高斯光束首先经过涡旋相位板，向线偏振的高斯光束引入相位因子，产生高斯涡旋光束；然后高斯涡旋光束经过加载有至少两个环状振幅全息图的振幅空间光调制器，通过调控环状振幅全息图的透光率，进而调控高斯涡旋光束的振幅，产生双指数贝塞尔高斯光束的角谱函数；最后，经过振幅调控后的高斯涡旋光束进行傅里叶变换，产生双指数贝塞尔高斯光束。

【技术特征摘要】
1.一种产生双指数贝塞尔高斯光束的方法，其特征在于，包括：线偏振的高斯光束首先经过涡旋相位板，向线偏振的高斯光束引入相位因子，产生高斯涡旋光束；然后高斯涡旋光束经过加载有至少两个环状振幅全息图的振幅空间光调制器，通过调控环状振幅全息图的透光率，进而调控高斯涡旋光束的振幅，产生双指数贝塞尔高斯光束的角谱函数；最后，经过振幅调控后的高斯涡旋光束进行傅里叶变换，产生双指数贝塞尔高斯光束。2.根据权利要求1所述的产生双指数贝塞尔高斯光束的方法，其特征在于，所述的高斯光束经过涡旋相位板前首先经过衰减片，调节出射基模高斯光束的光强，然后经过扩束镜扩展所述高斯光束的光斑尺寸以及对所述高斯光束进行准直处理。3.根据权利要求2所述的产生双指数贝塞尔高斯光束的方法，其特征在于，通过傅里叶透镜对所述双指数贝塞尔高斯光束进行傅里叶变换，所述傅里叶透镜距离所述振幅空间光调制器的距离为f0，其中f0为傅里叶变换透镜的焦距。4.根据权利要求1所述的产生双指数贝塞尔高斯光束的方法，其特征在于，还包括记录在傅里叶平面处的双指数贝塞尔高斯光束的光强。5.根据权利要求1所述的产生双指数贝塞尔高斯光束的方法，其特征在于，所述的双指数贝塞尔高斯光束在傅里叶面上的解析表达式如下所示：其中，r,θ是光源面上径向和角向坐标,k0＝2π/λ是波数，λ是波长,ωg代表高斯包络的宽度,贝塞尔光束的角孔径,l是拓扑荷，p是径向指数,Jl是l阶第一类贝塞尔函数；系数Cn满足的等式为：是角向指数分别为p和l的拉盖尔多项式；角孔径满足等式：ω0与产生的双指数贝塞尔高斯光束尺寸相关一个常数；ηn是如下方程组的根：方程组(4)有p+1个根，每一个根对...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚海南，王飞，蔡阳健，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32