CN103743480B - 艾里光束加速曲线的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种艾里光束加速曲线测量方法，采用平行激光束经过一个二元位相器件，该位相器件上的位相分布是产生待测艾里光束的连续位相二元化后的结果，而后光束经过一个傅立叶透镜，在焦平面后方同时产生两束具有相对的加速度的艾里光束，在光束传播方向上的任意截面内，采用安装在一维线性位移台上的面阵光电传感器测量两路艾里光束的主极大之间的间距，该间距除以2为单艾里光束的加速位移，根据不同位置处得到单艾里光束的加速位移和位移台沿光轴方向的位移，实现准确测量艾里光束加速曲线。本艾里光束加速曲线测量方法具有易于操作、测量准确度高、数据处理简单等多项特点。

Description

艾里光束加速曲线的测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量，尤其是一种艾里光束加速曲线测量方法。

背景技术

艾里光束是一种非常特殊的光束，在自由空间传播时具有拐弯加速的特性，同时还具有无衍射和自愈的优良性质，已初步光学微操纵、超快激光诱导形成弯曲等离子体通道以及真空电子加速等领域，同时在生物光学、原子光学和光谱学等领域也具有重要的应用前景，具有非常重大的科学意义和应用价值。而艾里光束的加速曲线的测量，是应用艾里光束的基础，因而观察并精确测量艾里光束的加速度至关重要。

在先技术中，存在着艾里光束加速度的测量方法，参见论文题目ObservationofAcceleratingAiryBeams，发表在期刊《PhysicalReviewLetters》的2007年第99卷上，作者为G.A.Siviloglou,J.Broky,A.Dogariu,和D.N.Christodoulides，

该方法是将平行激光束照射在具有三次连续位相分布的空间光调制器上，而后光束经过傅立叶透镜变换后，在焦平面后方生成单一的艾里光束，采用显微物镜和面阵电荷耦合器件组成的显微照相机对艾里光束在光轴的不同截面进行拍照，之后通过图像分析得到艾里光束的主极大与光轴之间的距离随着传播距离的变化规律，进而得到艾里光束的加速度。此方法具有一定的有优点，但是存在本质不足：

1）艾里光束的产生方法不便利，存在一定工艺难度，采用空间光调制器生成三次连续位相分布来产生艾里光束，在实际操作中生成的连续位相难以与设计值精确相符，导致艾里光束发生畸变。

2）实际操作也不便利，需要测量艾里光束与光轴之间的距离偏差，然而，真实光轴的空间位置是难以准确确定的，它与傅立叶透镜、空间光调制器的安装位置和角度都有密切的关系，艾里光束的加速度又非常小，一般在1米的范围内仅加速了几毫米，所以通过此方法准确测量艾里光束的加速度非常困难，限制了这种方法的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种艾里光束加速度的测量方法。该测量方法具有易于操作、测量准确度高、数据处理简单等多项特点。

本发明的基本构思是：采用平行激光束首先经过一个位相器件，该位相器件上的位相分布是产生待测艾里光束的连续位相二元化后的结果，而后光束经过一个傅立叶透镜后，会在焦平面后方同时产生两束具有相对的加速度的艾里光束，通过在光束传播方向上的任意截面内测量两路艾里光束的主极大之间的间距，获得该间距随光束传播距离的变化关系。

本发明的技术解决方案如下：

一种艾里光束加速曲线的测量方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

①沿光束前进方向设置沿光束前进方向移动的位移台，面阵光电传感器固定在所述的位移台上，沿光束前进方向同光轴地依次设置二元位相器件、傅立叶透镜和所述的面阵光电传感器，所述的二元位相器件位于所述的傅立叶透镜的前焦面，所述的二元位相器件的法线与所述的傅立叶透镜的光轴与重合，所述的面阵光电传感器的传感阵列与所述的光轴垂直，所述的二元位相器件是产生一对加速方向相反的艾里光束的器件；

②一平行光垂直照射在所述的二元位相器件上，以傅立叶透镜的后焦点为参考点，驱动所述的位移台，带动所述的面阵光电传感器沿光轴方向运动，记录所述的位移台的位置读数，即面阵光电传感器的位置，同时所述的面阵光电传感器拍摄下该截面处的双艾里光束的光场强度分布；

③根据拍摄所得图像和面阵光电传感器像素尺寸，计算得到实际双艾里光束主极大之间的间距，除以2即为单艾里光束的加速位移，根据不同位置处的单艾里光束的加速位移和位移台沿光轴方向的相应的位移，绘制艾里光束的加速曲线。

所述的二元位相器件是液晶型空间光调制器或非周期性固体微纳结构器件。

所述的面阵光电传感器是面阵电荷耦合器件或面阵互补金属氧化物半导体器件。

所述的位移台是带光栅尺或刻度尺的手动或电机驱动的一维直线位移台。

所述的二元位相器件上的位相分布是产生待测艾里光束的连续位相二元化后的结果，连续位相二元化的具体方法是：若连续相位处于区间[2nπ,(2n+1)π)中，则二元化位相取值为π，若连续位相处于区间((2n-1)π,2nπ)中，则二元化位相取值为-π；

本发明中二元位相器件和面阵光电传感器的使用、光强分布图像处理技术均为成熟技术。本发明的发明点在于采用二元位相器件代替连续位相器件，实现了一对加速方向相反的艾里光束，且它们分别与原连续位相器件产生的单艾里光束具有相同或与光轴相对称的加速曲线，给出一种测量方法简单、便于实现、测量准确度高、数据处理简单的艾里光束加速曲线测量方法。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的方法本质上不需要具有连续位相分布的器件来产生艾里光束，只需要二元位相器件即可实现艾里光束的观测，而二元位相器件无论是在制作工艺的复杂性，还是在相位精度的准确性上都较连续位相器件具有更大的优势；

2、本发明用二元位相器件产生了具有相对加速的双艾里光束，使得测量艾里光束相对于空间位置难以确定的光轴的加速位移简化为与光轴无关的双艾里光束之间的间距的测量，这一点从本质上决定了该测量方法简单灵活，结构定位要求低，系统可靠性和稳定性高，可操作性强。

附图说明

图1为本发明测量装置结构和实施方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1为本发明测量装置结构和实施方法示意图。本发明艾里光束加速曲线测量方法，包括以下步骤：

①沿光束前进方向设置沿光束前进方向移动的位移台4，面阵光电传感器3固定在所述的位移台4上，沿光束前进方向同光轴地依次设置二元位相器件1、傅立叶透镜2和所述的面阵光电传感器3，所述的二元位相器件1位于所述的傅立叶透镜2的前焦面f1，所述的二元位相器件的法线与所述的傅立叶透镜2的光轴与重合，所述的面阵光电传感器3的传感阵列与所述的光轴垂直，所述的二元位相器件1是产生一对加速方向相反的艾里光束的器件；

②一平行光垂直照射在所述的二元位相器件1上，以傅立叶透镜2的后焦点f2为参考点，驱动所述的位移台，带动所述的面阵光电传感器3沿光轴方向运动，记录所述的位移台的位置读数，即面阵光电传感器3的位置，同时所述的面阵光电传感器3拍摄下该截面处的双艾里光束的光场强度分布；

③根据拍摄所得图像和面阵光电传感器像素尺寸，计算得到实际双艾里光束主极大之间的间距，除以2即为单艾里光束的加速位移，根据不同位置处的单艾里光束的加速位移和位移台沿光轴方向的位移，绘制艾里光束的加速曲线。

所述的二元位相器件是液晶型空间光调制器或非周期性固体微纳结构器件。

所述的面阵光电传感器是面阵电荷耦合器件或面阵互补金属氧化物半导体器件。

所述的位移台是带光栅尺或刻度尺的手动或电机驱动的一维直线位移台。

用二元位相器件1取代具有连续三次位相分布的器件，该二元位相器件1上的位相分布是产生待测艾里光束的连续位相二元化后的结果，连续位相二元化的具体方法是：若连续相位处于区间[2nπ,(2n+1)π)中，则二元化位相取值为π，若连续位相处于区间((2n-1)π,2nπ)中，则二元化位相取值为-π。本实施例中二元位相器件1采用德国Holoeye公司的基于液晶的相位型空间光调制器，其位相分布由前述的二元化方法决定，具体计算过程由计算机完成。

将傅立叶透镜2置于二元位相器件1后方，且二者之间的距离为透镜的焦距，即二元位相器件1位于傅立叶透镜的前焦点f1处，傅立叶透镜2的光轴与二元位相器件的法线重合。本实施例中，傅立叶透镜2由两个透镜组成的双胶合透镜组，直径51.8毫米，焦距为300毫米。

面阵光电传感器3置于傅立叶透镜2的不同于二元位相器件1的另一侧的焦点f2附近，面阵光电传感器3被固定在一个可以沿透镜光轴方向移动的有读数的位移台4上，面阵光电传感器3中起到光电转化作用的传感阵列与傅立叶透镜2的光轴相垂直，并且传感阵列与傅立叶透镜2的光轴相交；其中面阵传感器3采用1280x1280分辨率，像素大小为8μm，位移台为带光栅尺的一维直线电动步进平台，总行程为500毫米，光栅尺分辨率为1微米。

以傅立叶透镜2的焦点f2为零位移参考点，计算机控制移动位移台4，带动面阵光电传感器3沿光轴方向运动，在不同位置记录下位移台4的光栅尺读数，同时面阵光电传感器3拍摄下该截面处的双艾里光束的光场强度分布。

根据拍摄所得图像和面阵光电传感器像素尺寸，计算得到实际双艾里光束主极大之间的间距，除以2即为单艾里光束的加速位移，根据不同位置处得到单艾里光束的加速位移和位移台沿光轴方向的位移，随即得到艾里光束的加速曲线。

Claims (4)

1.一种艾里光束加速曲线的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

①沿光束前进方向设置沿光束前进方向移动的位移台(4)，面阵光电传感器(3)固定在所述的位移台(4)上，沿光束前进方向同光轴地依次设置二元位相器件(1)、傅立叶透镜(2)和所述的面阵光电传感器(3)，所述的二元位相器件(1)位于所述的傅立叶透镜(2)的前焦面(f1)，所述的二元位相器件的法线与所述的傅立叶透镜(2)的光轴重合，所述的面阵光电传感器(3)的传感阵列与所述的光轴垂直，所述的二元位相器件(1)是产生一对加速方向相反的艾里光束的器件；

②一平行光垂直照射在所述的二元位相器件(1)上，以傅立叶透镜(2)的后焦点(f2)为参考点，驱动所述的位移台，带动所述的面阵光电传感器(3)沿光轴方向运动，记录所述的位移台的位置读数，即面阵光电传感器(3)的位置，同时所述的面阵光电传感器(3)拍摄下截面处的双艾里光束的光场强度分布；

③根据拍摄所得图像和面阵光电传感器像素尺寸，计算得到实际双艾里光束主极大之间的间距，除以2即为单艾里光束的加速位移，根据不同位置处的单艾里光束的加速位移和位移台沿光轴方向的位移，绘制艾里光束的加速曲线。

2.根据权利要求1所述的艾里光束加速曲线的测量方法，其特征在于：所述的二元位相器件是液晶型空间光调制器或非周期性固体微纳结构器件。

3.根据权利要求1所述的艾里光束加速曲线的测量方法，其特征在于：所述的面阵光电传感器是面阵电荷耦合器件或面阵互补金属氧化物半导体器件。

4.根据权利要求1所述的艾里光束加速曲线的测量方法，其特征在于：所述的位移台是带光栅尺或刻度尺的手动或电机驱动的一维直线位移台。