CN103048791A

CN103048791A - 一种产生部分相干艾里光束的方法

Info

Publication number: CN103048791A
Application number: CN2013100189201A
Authority: CN
Inventors: 赵承良; 文伟; 董元; 蔡阳健
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: CN103048791B

Abstract

本发明涉及一种光束的传输与变换技术，公开了一种产生部分相干艾里光束的方法。激光器发出完全相干的高斯光束，由凸透镜和旋转毛玻璃片调整其相干性，得到部分相干高斯光束，经第二凸透镜进行准直后，由高斯振幅滤波片进行光束强度分布整形，再通过加载了位相信息图的空间光调制器进行位相调制，经圆孔光阑截取第一级衍射光束，得到部分相干艾里光束。本发明直接利用高斯光束产生部分相干艾里光束，原理科学，容易实现；装置结构简单，易于调整，稳定性好，制造成本低。本发明提供的光束可实际应用于光学颗粒清除、生物医学治疗、微粒捕获、电子加速等领域。

Description

一种产生部分相干艾里光束的方法

技术领域

本发明涉及光束的传输与变换技术，具体涉及一种产生部分相干艾里光束的方法及其装置，应用于生物医学治疗、光镊、产生弯曲的等离子体通道和电子加速等领域。

背景技术

空间有限大小的光波，由于携带了各个角度的传播分量，在真空或均匀介质中线性传播时能量总是趋于发散分布，称为光束的衍射。传播相同的距离，尺寸越小的光束发生这种现象越明显。近来，微纳光子学的研究如火如荼，光束在这个尺度上的衍射更加不可避免。因此对光束进行无衍射调控具有很重要的应用价值。

1987 年，美国罗彻斯特大学的光学专家J.Durnin首次提出无衍射光束,它是自由空间标量波动方程的一组特殊解，其场分布具有第一类零阶贝塞耳函数的形式。它们的特点是在无界的自由空间传播时，与传播方向垂直的每个平面上光场分布不变，并且具有高度的局域化强度分布。无衍射光束电场强度的横向分布很集中，光场绝对不遭受到衍射扩展。这类光束具有主光斑尺寸小（约为波长量级）、强度高、方向性好、准直距离长等特点。它可以用于高精度定向或准直光学系统，也可作为光刀来探测大物体的性质，或对微米粒子进行光学操作，亦可用于激光加工如激光打孔等工业中。理想无衍射光束是非平方可积的，即携带无限大能量，物理上是不可能实现的。但的确有很多种试验方法可以获得有限束宽，即携带有限能量的近似无衍射光束。实际的近似无衍射光束在最大准直范围内，横截面上光束近似不变。无衍射光束与高斯光束比较各有优缺点，应当视不同应用目的而论。从这个意义上，人们更关注无衍射光束在光束准直、聚焦和整形中的实际意义的应用研究。

1979年，英国著名科学家M. Berry从理论上提出了一种无衍射的艾里波包。2007年，美国中佛罗里达大学的科学家D. Christodoulides等在光学领域实现了艾里波包即艾里光束（Physical Review Letters，Vol.99，No.21,213901-1～213904-4,2007）。艾里激光束具有非常诱人的三大特性：在传播过程中自由加速（或横向加速），类似于重力作用下弹丸运动的弹道；在传播过程中近似保持无衍射；在传播过程中具有自愈的特性。它们在光学颗粒清除、生物医学治疗、光学激光成丝、光镊和微粒捕获、产生弯曲的等离子体通道及电子加速等领域的应用体现出非凡的特性。

产生完全相干的艾里光束的方法非常多，比如用非线性光子晶体产生、用单透镜及孔径光阑产生、用二进制相位元件产生、用高分子分散液晶产生、用纯相位图像产生等方法。艾里光束的主瓣大小约为波长量级，与普通光束经过透镜聚焦后焦点附近的光斑大小相近，因而能量很集中。由于艾里光束在长距离传输时有很强的局域特性，能在很长的距离内保持光波能量空间不扩散，相当于有很长的焦深，故特别适合应用到光与物质的相互作用方面。

近年来人们开始关注光场的调控，主要包括振幅调控、位相调控以及相干性调控三种。相干性调控已经被广泛应用在光学成像, 大气光通讯，激光材料表面热处理、惯性约束核聚变、激光涂敷，激光扫描，激光全息，非线性光学等领域。相干性调控很重要的一点就是产生部分相干光束。部分相干光束的产生大致可以分为三种方法：第一种借助于现有的高相干性的激光，用动态散射体，如：旋转的毛玻璃，声光调制晶体，基于液晶的空间光调制器，来降低激光的相干性，通过散射体后光束相干性的大小主要取决于散射体的性质。第二种方法是基于由扩展光源发出的非相干光，利用Van-Citter-Zernike定理使之成为部分相干光，或用被动激光谐振腔，用这种方法产生的部分相干光束的光强一般都偏低。第三种方法是利用一些互不相干的激光本征模的叠加来产生部分相干光束。这种方法可以用多模激光谐振腔振荡通过腔内调制，直接输出所要求的光束模型，但现阶段要人为合理的控制多模谐振腔的各个模式的振荡并调节各个模式能量的权重是比较困难的，特别是实时调节各个模式的性质，而且制作成本也很高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种原理简单，容易实现，具有实际应用价值的部分相干艾里光束的产生方法，及结构简单，制造成本低的部分相干艾里光束的产生装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种产生部分相干艾里光束的方法，包括如下步骤：

（1）对完全相干的高斯光束调整其相干性，得到部分相干高斯光束；

（2）将得到的部分相干高斯光束进行准直和光束强度分布整形处理；

（3）经位相调制后，截取第一级衍射光束，得到部分相干艾里光束。

本发明技术方案还包括提供一种产生部分相干艾里光束的装置，由激光器发出完全相干的高斯光束，经部分相干高斯光束调整器调整完全相干的高斯光束的相干性，得到部分相干高斯光束，所述的部分相干高斯光束调整器包括第一凸透镜和旋转毛玻璃片，通过改变第一凸透镜和旋转毛玻璃片之间的距离，调整高斯光束的相干性；得到的部分相干高斯光束再经第二凸透镜进行准直后，由高斯振幅滤波片进行光束强度分布整形，得到准直的部分相干高斯光束；再通过加载了位相信息图的空间光调制器，在空间光调制器液晶显示屏上进行位相调制后以反射方式出射；经圆孔光阑截取第一级衍射光束，得到部分相干艾里光束。

本发明所述的激光器为功率可调的半导体泵浦固体激光器；所述的空间光调制器为反射式空间光调制器，由计算机将位相信息图加载到空间光调制器上，对入射光束进行位相调制。

本发明所述的一种产生部分相干艾里光束的装置还包括部分相干艾里光束的测量装置，该测量装置为光束分析仪及与其相连接的计算机，用于观测和拍摄部分相干艾里光束的光强分布。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、直接利用高斯光束产生部分相干艾里光束，原理简单，容易实现；

2、装置结构简单，易于调整，制造成本低；

3、不需要借助其它特殊的光学元件，装置稳定性好。

附图说明

图1 是本发明实施例提供的一种部分相干艾里光束产生装置的结构示意图；

图2 是本发明实施例中在空间光调制器上加载的位相信息图；

图3是本发明实施例中测量得到的产生的部分相干艾里光束的光强分布图；

图中，1、激光器；2、第一凸透镜；3、旋转毛玻璃片；4、第二凸透镜；5、高斯振幅滤波片；6、空间光调制器；7、输出位相信息图用计算机；8、圆孔光阑；9、光束分析仪；10、测量用计算机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步描述。

实施例1：

参见附图1，它是本实施例提供的一种部分相干艾里光束产生装置的结构示意图；如图1所示，由激光器1发出完全相干的高斯光束，经第一凸透镜2和旋转毛玻璃片3调整高斯光束的相干性，产生部分相干高斯光束；本实施例中，激光器1为功率可调的半导体泵浦固体激光器，最大输出功率为1.8W，波长为532.8nm；第一凸透镜2的焦距f₁=100mm，旋转毛玻璃片3由电动马达驱动。

部分相干高斯光束经第二凸透镜4和高斯振幅滤波片5进行准直和光强分布整形，本实施例中，第二凸透镜4的焦距f₂=250mm。

空间光调制器6为反射式空间光调制器（HOLOEYE，PLUTO），由输出位相信息图用计算机7将位相信息图加载到空间光调制器6，对经准直和光强分布整形后得到的部分相干高斯光束进行位相调制；利用圆孔光阑8截取第一级衍射光束，得到部分相干艾里光束。

光束分析仪9及与其相连接的测量用计算机10组成测量装置，用于观测和拍摄部分相干艾里光束的光强分布。

利用上述装置产生并测量部分相干艾里光束，具体操作步骤如下：

1、由激光器1发出近似完全相干的高斯光束，经第一凸透镜2和旋转毛玻璃片3后，得到部分相干高斯光束。旋转毛玻璃片3上的光斑尺寸大小影响光束相干性大小，通过改变第一凸透镜2和旋转毛玻璃片3之间的距离，可以改变光斑尺寸大小，从而改变高斯光束的相干性。

2、部分相干高斯光束经第二凸透镜4进行准直，再经高斯振幅滤波片5进行光束强度分布整形，得到准直的部分相干高斯光束。

3、准直的部分相干高斯光束到达空间光调制器6，在空间光调制器6的液晶显示屏上进行位相调制后以反射方式出射。空间光调制器6与输出位相信息图用计算机7相连，通过计算机程序将位相信息图加载到空间光调制器6上，对入射光束进行位相调制。参见附图2它为本实施例中在空间光调制器6上加载的位相信息图。

4、利用圆孔光阑8截取由空间光调制器6出射的第一级衍射光束，得到部分相干艾里光束。

5、光束分析仪9与测量用计算机10相连，观测和拍摄部分相干艾里光束的光强分布。参见附图3，它为本实施例中产生的部分相干艾里光束的光强分布图。

Claims

1.一种产生部分相干艾里光束的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）由激光器发出完全相干的高斯光束，经部分相干高斯光束调整器调整所述完全相干的高斯光束的相干性，得到部分相干高斯光束，所述的部分相干高斯光束调整器包括凸透镜和旋转毛玻璃片，通过改变凸透镜和旋转毛玻璃片之间的距离，调整高斯光束的相干性；

（2）将到的部分相干高斯光束经凸透镜进行准直后，由高斯振幅滤波片进行光束强度分布整形处理，得到准直的部分相干高斯光束；

（3）经位相调制器进行位相调制后，经圆孔光阑截取第一级衍射光束，得到部分相干艾里光束。

2.一种产生部分相干艾里光束的装置，其特征在于：包括激光器、部分相干高斯光束调整器、空间光调制器和圆孔光阑，由激光器发出完全相干的高斯光束，经部分相干高斯光束调整器调整完全相干的高斯光束的相干性，得到部分相干高斯光束，所述的部分相干高斯光束调整器包括第一凸透镜和旋转毛玻璃片，通过改变第一凸透镜和旋转毛玻璃片之间的距离，调整高斯光束的相干性；得到的部分相干高斯光束再经第二凸透镜进行准直后，由高斯振幅滤波片进行光束强度分布整形，得到准直的部分相干高斯光束；再通过加载了位相信息图的空间光调制器，在空间光调制器液晶显示屏上进行位相调制后以反射方式出射；经圆孔光阑截取第一级衍射光束，得到部分相干艾里光束。

3.根据权利要求2所述的一种产生部分相干艾里光束的装置，其特征在于：所述的激光器为功率可调的半导体泵浦固体激光器。

4.根据权利要求2所述的一种产生部分相干艾里光束的装置，其特征在于：所述的位相调制器为空间光调制器为加载了位相信息图的反射式空间光调制器，入射光束在空间光调制器液晶显示屏上进行位相调制后以反射方式出射；空间光调制器由计算机将位相信息图加载到空间光调制器上，对进行位相调制。

5.根据权利要求2所述的一种产生部分相干艾里光束的装置，其特征在于：它包括部分相干艾里光束的测量装置，所述的测量装置为光束分析仪及与其相连接的计算机，用于观测和拍摄部分相干艾里光束的光强分布。