产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置及方法，包括：光源；扩束准直镜，用于将光转换为大口径平行光束；二元相位板，用于对光束的光场的波前进行调制；第一傅里叶透镜，在其后焦面处为经过二元相位板后光场的频谱；滤波器，允许中心光斑和位于中心光斑周围的六个(或三个)对称光斑通过的同时，对通过的六个(或三个)对称光斑进行相位调制；第二傅里叶透镜，将相位调制后的六个(或三个)对称光斑转换为六束(或三束)对称的具有相同轴向波矢的平行光束，六束(或三束)平行光束干涉，将产生空间衍射不变光斑阵列；将中心光斑转换为一束沿光轴方向传输的平行光束，此平行光束将和衍射不变光斑阵列干涉，在空间中形成强度分布具有瓶状光束结构的阵列光场。

The device and method of producing bottle shaped beam with hexagonal close array

The invention discloses a device and a method for generating a bottle shaped beam of a three-dimensional array with hexagonal close arrangement distribution, including: a light source; a beam expanding collimator for converting light into a large-diameter parallel beam; a binary phase plate for modulating the wavefront of the light field of the beam; a first Fourier lens for modulating the frequency spectrum of the light field after passing through the binary phase plate at the rear focal plane; a filter for allowing At the same time of allowing the center spot to pass through with six (or three) symmetrical spots around the center spot, the six (or three) symmetrical spots passing through are phase modulated; the second Fourier lens transforms the six (or three) symmetrical spots after phase modulation into six (or three) symmetrical parallel beams with the same axial wave vector, and six (or three) parallel beams interfere, which will produce The central facula is transformed into a parallel beam along the optical axis, which will interfere with the diffraction invariant facula array and form an array light field with a bottle shaped beam structure.

【技术实现步骤摘要】
产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置与方法
本专利技术公开了一种产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置与方法。
技术介绍
瓶状光束是一种在空间中具有特殊光强分布的光束，其强度分布在空间中有着强度为零的区域，而在此区域外的三维空间光场的强度不等于零，类似于一个密封性的瓶子。瓶状光束可作为激光导管，可用于囚禁粒子、分子等。目前，研究者们已经提出了一些产生瓶状光束的方法，比较典型的如基于双轴锥镜法的双贝塞尔光束干涉形成的一维瓶状光束阵列。而产生高维次阵列瓶状光束的方法还鲜有人涉及。
技术实现思路
本专利技术基于多光束干涉基本原理，提出了一种产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置与方法。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提出的一种产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置，包括：光源；扩束准直镜，设置在光源发出光的方向，用于将来自光源的光转换为大口径平行光束；二元相位板，设置在扩束准直镜的后端，用于对大口径平行光束的光场的波前进行调制；第一傅里叶透镜，设置在二元相位板的后端，在其后焦面处为经过二元相位板后光场的频谱；滤波器，其放置在光场的频谱面处，允许中心光斑和位于中心光斑周围的六个或三个对称光斑通过的同时，对通过的六个或三个对称光斑进行相位调制；第二傅里叶透镜，设置在滤波器的后端，将相位调制后的六个或三个对称光斑转换为六束或三束对称的具有相同轴向波矢的平行光束，六束或三束平行光束干涉，将产生空间衍射不变光斑阵列；将中心光斑转换为一束沿光轴方向传输的平行光束，此平行光束将和衍射不变光斑阵列干涉，在空间中形成强度分布具有瓶状光束结构的阵列光场。作为进一步的，所述的光源采用激光光源。作为进一步的，还包括CCD，所述的CCD放置于第二傅里叶透镜后端，用于记录具有瓶状光束结构的阵列光场的强度分布。作为进一步的，所述的二元相位板，用来产生三角形和圆形光斑阵列，在其片基上刻蚀有多个等边三角形结构，所有的等边三角结构分为两种，其中一种等边三角形结构的灰度大于另外一种等边三角形结构的灰度；这两种等边三角形结构在水平方向及和水平方向夹角为±60°方向三个方向上交替分布，最后形成阵列。本专利技术公开的产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置，应用于材料加工装置中，用于材料的加工。本专利技术公开的产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置，应用于冷原子捕获装置中。本专利技术还提供了一种产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的方法，如下：激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束；大口径光束经过周期型二元相位板后光场的波前受到了调制，经过第一傅里叶透镜后，在第一傅里叶透镜的后焦面处获得光场的频谱，在频谱面处放置一滤波器，在允许紧靠中心光斑的六个或三个对称光斑通过的同时，并对六个或三个对称光斑进行相位调制，经过相位调制的对称光斑经过第二傅里叶透镜后，将转换为六束或三束对称的具有相同轴向波矢的平行光束，六束或三束平行光束干涉，将会沿光轴方向产生空间衍射不变光场，合理调整六个或三个对称光斑的相位值，衍射不变光场可以是具有周期排列的圆形或三角形光斑；然后，调整滤波器，让空间频谱中心光斑(直流分量)通过滤波器，经第二傅里叶透镜后，将转换为一束沿光轴方向传输的平行光束，此光束将和衍射不变光斑阵列干涉，由于此平行光束和衍射不变光斑阵列具有不同的轴向波矢，随着传输距离z的变化，干涉光场的图样也将会发生变化，具体表现为在空间中形成强度分布具有瓶状光束结构的阵列光场。作为进一步的技术方案，为了获得效果较好的三维阵列瓶状光束，应当使直流分量所对应的平行光束和衍射不变光斑阵列具有相同的最大复振幅，这个可以通过改变二元相位板的相位调制量来实现。本专利技术的有益效果如下：本专利技术基于多光束干涉基本原理，采用具有六角密排结构的周期型二元相位板，通过改变二元相位板的相位调制量，获得零级分量，并对经过二元相位板的光场的频谱进行调制，利用比较简单的光路，实现了多光束干涉，产生了具有六角密排结构的三维阵列瓶状光束，理想情况下，这种方法的能量利用率可以高达80％以上，这种方法具有能量利用率高、光路简单易于实现等优势，这一方法有望使得具有六角密排结构的三维阵列瓶状光束在科研及生产生活中得到广泛的应用。利用这种方法可以比较容易的获得具有六角密排分布的三维阵列瓶状光束，这种方法还没有人提出，具有能量利用率高、易于实现的优良特性，在材料的加工、粒子的分流等领域有一定的应用空间。附图说明图1本专利技术所公开的实施例的光路图；图2(a)是用来产生圆形光斑阵列和三角形光斑阵列的二元相位板；图2(b)对应经过图2(a)中所示二元相位板的光场的空间频谱分布；图2(c)为可以允许图2(b)中所示频谱的中心亮斑和周围对称的六个亮斑通过的滤波器；图2(d)为可以允许图2(b)中所示频谱的中心亮斑和周围对称的三个亮斑通过的滤波器；图3(a)中所示的六个点源，具有相同的相位；图3(b)中所示的六个点源，相邻点源的相位差为π；图3(c)中所示的三个点源，具有相同的相位；图4(a1)、图4(b1)为利用图3(a)所示六个点源所产生的具有六角密排阵列光斑的归一化光强分布和相位分布情况；图4(a2)(b2)为利用图3(b)所示六个点源所产生的具有一定排列的光斑的归一化光强分布和相位分布情况；图4(a3)(b3)为利用图3(c)所示三个点源所产生的具有六角密排阵列光斑的归一化光强分布和相位分布情况；图5(a)为CCD在光轴某一位置所对应光场的光强分布情况；图5(b)为CCD沿光轴后移Δ1所对应光场的光强分布情况；图5(c)是CCD沿光轴后移2Δ1所对应光场的光强分布情况；图5(d)是CCD沿光轴后移3Δ1所对应光场的光强分布情况；图5(e)是CCD沿光轴后移4Δ1所对应光场的光强分布情况；图5(f)是CCD沿光轴后移5Δ1所对应光场的光强分布情况；图6(a)为CCD在光轴某一位置所对应光场的光强分布情况；图6(b)为CCD沿光轴后移Δ2所对应光场的光强分布情况；图6(c)是CCD沿光轴后移2Δ2所对应光场的光强分布情况；图6(d)是CCD沿光轴后移3Δ2所对应光场的光强分布情况；图6(e)是CCD沿光轴后移4Δ2所对应光场的光强分布情况；图6(f)是CCD沿光轴后移5Δ2所对应光场的光强分布情况；图6(g)是CCD沿光轴后移6Δ2所对应光场的光强分布情况；图6(h)是CCD沿光轴后移7Δ2所对应光场的光强分布情况；图7(a)为CCD在光轴某一位置所对应光场的光强分布情况；图7(b)为CCD沿光轴后移Δ3所对应光场的光强分布情况；图7(c)是CCD沿光轴后移2Δ3所对应光场的光强分布情况；图7(d)是CCD沿光轴后移3Δ3所对应光场的光强分布情况；...

【技术保护点】
1.一种产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置，其特征在于，包括：/n光源；/n扩束准直镜，设置在光源发出光的方向，用于将来自光源的光转换为大口径平行光束；/n二元相位板，设置在扩束准直镜的后端，用于对大口径平行光束的光场的波前进行调制；/n第一傅里叶透镜，设置在二元相位板的后端，在其后焦面处为经过二元相位板后光场的频谱；/n滤波器，其放置在光场的频谱面处，允许中心光斑和位于中心光斑周围的六个或三个对称光斑通过的同时，对通过的六个或三个对称光斑进行相位调制；/n第二傅里叶透镜，设置在滤波器的后端，将相位调制后的六个或三个对称光斑转换为六束或三束对称的具有相同轴向波矢的平行光束，六束或三束平行光束干涉，将产生空间衍射不变光斑阵列；将中心光斑转换为一束沿光轴方向传输的平行光束，此平行光束将和衍射不变光斑阵列干涉，在空间中形成强度分布具有瓶状光束结构的阵列光场。/n

【技术特征摘要】
1.一种产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置，其特征在于，包括：
光源；
扩束准直镜，设置在光源发出光的方向，用于将来自光源的光转换为大口径平行光束；
二元相位板，设置在扩束准直镜的后端，用于对大口径平行光束的光场的波前进行调制；
第一傅里叶透镜，设置在二元相位板的后端，在其后焦面处为经过二元相位板后光场的频谱；
滤波器，其放置在光场的频谱面处，允许中心光斑和位于中心光斑周围的六个或三个对称光斑通过的同时，对通过的六个或三个对称光斑进行相位调制；
第二傅里叶透镜，设置在滤波器的后端，将相位调制后的六个或三个对称光斑转换为六束或三束对称的具有相同轴向波矢的平行光束，六束或三束平行光束干涉，将产生空间衍射不变光斑阵列；将中心光斑转换为一束沿光轴方向传输的平行光束，此平行光束将和衍射不变光斑阵列干涉，在空间中形成强度分布具有瓶状光束结构的阵列光场。


2.如权利要求1所述的产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置，其特征在于，所述的光源采用激光光源。


3.如权利要求1所述的产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置，其特征在于，还包括CCD，所述的CCD放置于第二傅里叶透镜后端，用于记录具有瓶状光束结构的阵列光场的强度分布。


4.如权利要求1所述的产生呈六角密排分布的三维阵列瓶状光束的装置，其特征在于，所述的二元相位板，用来产生三角形和圆形光斑阵列，在其片基上刻蚀有多个等边三角形结构，所有的等边三角结构分为两种，其中一种等边三角形结构的灰度大于另外一种等边三角形结构的...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩玉晶，张莉，荣振宇，陈小艺，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37