CN103792663A - 一种生成螺旋式贝塞尔光束的光学系统及生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种生成螺旋式贝塞尔光束的光学系统及生成方法，本发明的光学系统由He-Ne激光器、起偏器、第一扩束器、二元振幅光栅、第二扩束器、孔径光阑、液晶空间光调制器、轴锥镜和CCD相机组成。He-Ne激光器出射的高斯光束经过起偏方向为0°的起偏器后变换成为0°线偏振光，经过第一扩束器被扩束并垂直入射到二元振幅光栅上，产生的衍射光经过第二扩束器后增大其各衍射级的衍射角，再经孔径光阑得到单环拉盖尔-高斯光束，并送至液晶空间光调制器，再经过轴锥镜后生成离轴且绕轴螺旋传输的贝塞尔光束，并照射在CCD相机上获得光强分布。本发明实现了离轴且绕光轴螺旋传输的贝塞尔光束的生成。

Description

一种生成螺旋式贝塞尔光束的光学系统及生成方法

技术领域

本发明涉及一种生成螺旋式贝塞尔光束的光学系统及生成方法，可广泛应用于光电技术领域。

背景技术

贝塞尔光束是自由空间标量波动方程的一组特殊解，其光场分布具有第一类贝塞尔函数的形式。1987年，J.Durnin首次提出了贝塞尔光束的无衍射特性，将贝塞尔光束称为无衍射光束。理想的贝塞尔光束可以无衍射传播，没有能量的损失，但这种情况是不可能实现的。近似无衍射的贝塞尔光束却可通过各种实验手段实现。比如环缝-透镜法、马赫-曾德尔干涉仪法、轴锥镜法、全息光学法等。贝塞尔光束在微制造、微纳光学以及光镊等领域，特别是对超冷粒子的操控上具有重要的应用前景。

旋转光束是一类在传播过程中横截面上的光强中心处于光轴之上，光强分布绕光轴发生旋转的光束。此类光束一般分为两种：第一种，光强绕轴旋转过程中，分布样式和尺度都保持不变；这种旋转光束可以由两个不同阶的贝塞尔光束相干叠加生成。第二种，光强绕轴旋转时，能够产生尺度缩放；这种旋转光束可由两个不同阶的拉盖尔-高斯光束相干叠加生成。旋转光束在传输时只能沿光轴传输，一旦光轴上有无法预期的障碍物时，光束将无法继续传输。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种生成螺旋式贝塞尔光束的光学系统及生成方法，解决了光束在传输时遇到障碍无法躲避，致使光束无法传输的问题。

本发明的技术方案是：一种生成螺旋式贝塞尔光束的光学系统，包括He-Ne激光器、起偏器、第一扩束器、二元振幅光栅、第二扩束器、孔径光阑、液晶空间光调制器、轴锥镜和CCD相机，He-Ne激光器出射的高斯光束经过起偏方向为0°的起偏器后变换成为0°线偏振光，经过第一扩束器被扩束并垂直入射到二元振幅光栅上，产生的衍射光经过第二扩束器后增大其各衍射级的衍射角，再经孔径光阑得到单环拉盖尔-高斯光束，通过改变所述孔径光阑的位置滤出所需的单环拉盖尔-高斯光束，并送至液晶空间光调制器；所述的液晶空间光调制器上加载有全息片衍射图，并放置于单环拉盖尔-高斯光束的束腰位置处；从液晶空间光调制器出射的光束再经过轴锥镜后生成离轴且绕轴螺旋传输的贝塞尔光束，并照射在CCD相机上，通过CCD相机获得离轴且绕轴螺旋传输的贝塞尔光束的光强分布。

所述的二元振幅光栅的结构为：在水平方向一个刃位错，竖直方向三个刃位错的叉状复合二元振幅光栅。

所述全息片衍射图的透过率函数为T_σ,κ(ρ,φ)=exp[-ik(n-1)ασcos(φ-κρ)]，其相位分布为Φ(ρ,φ)=(n-1)ασcos(φ-κρ)；其中，φ和ρ分别为输入光场的极角和极径，σ是螺旋光束的旋转半径，κ是旋转速率，k为波数，n为轴锥镜的折射率，α为轴锥镜的锥角。

一种生成贝塞尔光束的方法，具体步骤为：

1）由He-Ne激光器射出的高斯光束经过起偏器后，由第一扩束器进行扩束后，垂直入投射到二元振幅光栅上，生成单环拉盖尔-高斯光束；

2）第二扩束器将生成的单环拉盖尔-高斯光束的各衍射级衍射角增大并送至孔径光阑后，得到单环拉盖尔-高斯光束；

3）调整孔径光阑的位置滤出所需的单环拉盖尔-高斯光束，并送至液晶空间光调制器；所述的液晶空间光调制器上加载有全息片衍射图，并放置于单环拉盖尔-高斯光束的束腰位置处；

4）再经过位于液晶空间光调制器后的轴锥镜，产生螺旋传输的贝塞尔光束；

5）CCD相机采集贝塞尔光束的光场强度图样。

所述的二元振幅光栅的结构为：在水平方向一个刃位错，竖直方向三个刃位错的叉状复合二元振幅光栅。

所述全息片衍射图的透过率函数为T_σ,κ(ρ,φ)=exp[-ik(n-1)ασcos(φ-κρ)]，其相位分布为Φ(ρ,φ)=(n-1)ασcos(φ-κρ)；其中，φ和ρ分别为输入光场的极角和极径，σ是螺旋光束的旋转半径，κ是旋转速率，k为波数，n为轴锥镜的折射率，α为轴锥镜的锥角。

本发明与现有技术相比的有益效果：

（1）首次实现了用轴锥镜和空间光调制器生成离轴且绕光轴螺旋传输的贝塞尔光束。

（2）使用加载了通过液晶空间光调制器制作出的衍射图的全息片和轴锥镜的组合替代了传统的二次加工方式，其比轴锥镜的二次加工设计简单，且容易实现。

（3）采用了二元幅光栅，能够方便地将He-Ne激光器输出的高斯光束转化为-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4阶的拉盖尔高斯光束，从而控制生成的离轴且绕光轴螺旋传输的贝塞尔光束的阶数范围，且其抗损伤阈值高。

（4）生成的离轴且绕光轴螺旋传输的贝塞尔光束的阶数范围为：-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4；只需移动孔径光阑的位置，即可方便地变换得到其它阶数。

（5）光学系统结构简单，稳定性好，易于调节。

附图说明

图1是离轴且绕光轴螺旋传输的贝塞尔光束光斑图的仿真示意图，其中，z为传播距离，N为旋转周期，l为贝塞尔光束的阶数。

图2为本发明产生的离轴且绕光轴螺旋传输的贝塞尔光束光强分布图。

图3是轴锥镜8设计的原理图；图3(a)是二次加工设计后的轴锥镜8的结构，图3(b)是本发明的由全息片和轴锥镜8的组成示意图，是图3(a)的等效方案，其能达到传统轴锥镜8二次加工设计的效果。

图4是离轴且螺旋传输的贝塞尔光束光斑图的实验结果，其中，z为传播距离，N为旋转周期，l为贝塞尔光束的阶数。

图5是加载在液晶空间光调制器7上的全息片的衍射图。

图6是本发明光学系统结构示意图。

图7是本发明中使用的水平方向一个刃位错，竖直方向三个刃位错的叉状复合二元振幅光栅在基模高斯光束的照射下生成一个3×3的拉盖尔高斯光束阵列的示意图；其中，基模高斯光束经过该复合二元振幅光栅后在水平方向生成LG₀₁和LG_0-1光束，垂直方向生成LG₀₃和LG_0-3光束，对角线方向生成LG₀₂和LG_0-2光束以及LG₀₄和LG_0-4光束。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明介绍一种在传播过程中绕光轴旋转的螺旋光束，其光强分布不同于上述的旋转光束，作为示意，图1示出了此类螺旋光束在垂直与传播方向的横截平面内的光强分布情况，图2示出了此螺旋光束在传播过程中沿光轴的空间光强分布情况，这种螺旋光束与上述旋转光束的区别是：此类螺旋光束在传播过程中，横截面上的光强分布中心远离光轴，做离轴且绕光轴的螺旋状旋转；而其光强分布样式和尺度都不发生改变。

本发明基于用轴锥镜生成贝塞尔光束的方法，并采用一种特殊的全息片，使传统沿直线传播的激光光束偏离光轴，离轴且绕光轴旋转，呈现螺旋状的传播轨迹。该螺旋光束的光强分布具有贝塞尔模式的特点，在光镊、微纳光学、光学加工等领域具有广阔的前景，特别是对超冷粒子的操控上具有重要的应用。

对于一个普通的轴锥镜，其透过率函数为：

T(ρ)=exp[-ikα(n-1)ρ]   （1）

其中，ρ为物平面中极坐标的径向坐标，k为波数，n为轴锥镜的折射率，α为轴锥镜的锥角。

如果采用的传统方法对轴锥镜进行二次设计，本领域技术人员往往是将轴锥镜分成很多个微小的分离的圆形镜片，将其各个圆形镜片中心分别以极角Φ_κ=κρ且偏离中心光轴σ的距离放置，使得这些圆形镜片依次叠置组合成空间圆锥状，其组成结构如图3(a)所示，其能够产生螺旋光束。这种二次加工的轴锥镜的透过率函数为：T_σ,κ(ρ,φ)=exp{-ik(n-1)α[ρ-σcos(φ-κρ)]}   （2）

其中φ和ρ分别为输入光场的极角和极径，σ是螺旋光束的旋转半径，κ是旋转速率。根据菲涅尔衍射积分方法计算出衍射光学元件后的光场分布，而通过驻相法近似求解与变量ρ有关的积分，并求解驻点，最后得到出射光光强的最终表达式：

$I\∝{\mathrm{k\α}}^2{(n-1)}^2{z}^{2l+1}{J}_l^2\left({\mathrm{\ξ}}_c\right)\exp \{-2{\left[\frac{\mathrm{z\α}(n-1)}{\mathrm{\ω}}\right]}^2\}---\left(3\right)$

其中

（4）

其中ω为束腰半径，J_l(x)为第一类贝塞尔函数，和r为输出光场的极角和极径。由（3）式中的贝塞尔函数可知，该旋转光束的光强分布是贝塞尔型的，其仿真结果如图1所示，其实验结果如图4所示，旋转半径均为σ=10μm；由公式（4）及仿真结果、实验结果可知，生成的贝塞尔光束在传播过程中具有离轴且绕光轴螺旋传输的特性。

然而采用传统的方式对轴锥镜进行二次加工，其难度很大、条件要求高、且成本很高，鉴于此，本发明采用轴锥镜和加载了衍射图的全息片的组合来实现这种特殊要求的轴锥镜，其组合结构可参见示意图3(b)，而其中全息片的衍射图由液晶空间光调制器来实现完成，其组合结构的透过率函数为：

T_σ,κ(ρ,φ)=exp[-ik(n-1)ασcos(φ-κρ)]   （7）

而其相位分布为：

Φ(ρ,φ)=(n-1)ασcos(φ-κρ)   （8）

其中，φ和ρ分别为输入光场的极角和极径，σ是螺旋光束的旋转半径，κ是旋转速率。由此透过率函数生成的衍射光栅的样式如图5所示，将其加载到液晶空间光调制器上以实现全息片。由此可见，本发明采用轴锥镜和全息片的组合能够满足传统轴锥镜的二次圆形镜片加工的特殊要求。

如图6所示，本发明的装置包括He-Ne激光器1、起偏器2、第一扩束器3、二元振幅光栅4、第二扩束器5、孔径光阑6、液晶空间光调制器7、轴锥镜8和CCD相机9。He-Ne激光器1出射的高斯光束经过起偏方向为0°的起偏器2后变换为0°线偏振光，经过第一扩束器3进行扩束，垂直入射到二元振幅光栅4上，生成一个3×3的拉盖尔高斯光束阵列，如图6所示，水平方向为LG₀₁和LG_0-1光束，垂直方向为LG₀₃和LG_0-3光束，对角线方向为LG₀₂和LG_0-2光束以及LG₀₄和LG_0-4光束。产生的衍射光经过第二扩束器5来增大各衍射级的衍射角，利用孔径光阑6将所需的衍射光滤出，滤出的光束照射在已加载全息片衍射图的液晶空间光调制器7上，液晶空间光调制器7置于生成的拉盖尔高斯光束的束腰位置，全息片的衍射图如图5所示。液晶空间光调制器7的出射光经过轴锥镜8后，生成离轴且绕光轴螺旋传输的贝塞尔光束，照射在CCD相机9上，最后通过CCD相机9观察所生成的光强分布图，实验结果如图4所示；其数值仿真结果如图1所示。

本发明生成贝塞尔光束的过程为：由He-Ne激光器1射出的高斯光束经过起偏器2后，由第一扩束器3进行扩束后，垂直入投射到二元振幅光栅4上；当基模高斯光束照射这个光栅时，可以生成一个3×3的拉盖尔-高斯光束阵列，如图7所示；然后经过第二扩束器5进行光束变换，该第二扩束器5包括一个凸透镜和一个凹透镜，其中凸透镜对经过光栅的光场进行傅里叶变换，凹透镜增大相邻衍射级之间的距离，便于过滤出需要的单环拉盖尔-高斯光束；经过孔径光阑6的过滤后，单环拉盖尔-高斯光束入射到置于光束束腰位置，并加载全息片的衍射图（如图5所示）到液晶空间光调制器7上；可用液晶空间光调制器7自带的应用软件调节光栅图的位置，实现入射光精确入射到液晶空间光调制器7的中心；轴锥镜8位于液晶空间光调制器7后，二者共同作用产生螺旋传输的贝塞尔模式的光束；最后在不同距离处用CCD相机9采集光场强度图样。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种生成螺旋式贝塞尔光束的光学系统，包括He-Ne激光器（1）、起偏器（2）、第一扩束器（3）、二元振幅光栅（4）、第二扩束器（5）、孔径光阑（6）、液晶空间光调制器（7）、轴锥镜（8）和CCD相机（9），其特征由于：He-Ne激光器（1）出射的高斯光束经过起偏方向为0°的起偏器（2）后变换成为0°线偏振光，经过第一扩束器（3）被扩束并垂直入射到二元振幅光栅（4）上，产生的衍射光经过第二扩束器（5）后增大其各衍射级的衍射角，再经孔径光阑（6）得到单环拉盖尔-高斯光束，通过改变所述孔径光阑（6）的位置滤出所需的单环拉盖尔-高斯光束，并送至液晶空间光调制器（7）；所述的液晶空间光调制器（7）上加载有全息片衍射图，并放置于单环拉盖尔-高斯光束的束腰位置处；从液晶空间光调制器（7）出射的光束再经过轴锥镜（8）后生成离轴且绕轴螺旋传输的贝塞尔光束，并照射在CCD相机（9）上，通过CCD相机（9）获得离轴且绕轴螺旋传输的贝塞尔光束的光强分布。

2.根据权利要求1所述的一种生成螺旋式贝塞尔光束的光学系统，其特征在于：所述的二元振幅光栅（4）的结构为：在水平方向一个刃位错，竖直方向三个刃位错的叉状复合二元振幅光栅。

3.根据权利要求1所述的一种生成螺旋式贝塞尔光束的光学系统，其特征在于：所述全息片衍射图的透过率函数为T_σ,κ(ρ,φ)=exp[-ik(n-1)ασcos(φ-κρ)]，其相位分布为Φ(ρ,φ)=(n-1)ασcos(φ-κρ)；其中，φ和ρ分别为输入光场的极角和极径，σ是螺旋光束的旋转半径，κ是旋转速率，k为波数，n为轴锥镜的折射率，α为轴锥镜的锥角。

4.一种利用权利要求1所述光学系统生成贝塞尔光束的方法，具体步骤为：

1）由He-Ne激光器射出的高斯光束经过起偏器（2）后，由第一扩束器（3）进行扩束后，垂直入投射到二元振幅光栅（4）上，生成单环拉盖尔-高斯光束；

2）第二扩束器（5）将生成的单环拉盖尔-高斯光束的各衍射级衍射角增大并送至孔径光阑（6）后，得到单环拉盖尔-高斯光束；

3）调整孔径光阑（6）的位置滤出所需的单环拉盖尔-高斯光束，并送至液晶空间光调制器（7）；所述的液晶空间光调制器（7）上加载有全息片衍射图，并放置于单环拉盖尔-高斯光束的束腰位置处；

4）再经过位于液晶空间光调制器（7）后的轴锥镜（8），产生螺旋传输的贝塞尔光束；

5）CCD相机（9）采集贝塞尔光束的光场强度图样。

5.根据权利要求4所述的一种生成贝塞尔光束的方法，其特征在于：所述的二元振幅光栅（4）的结构为：在水平方向一个刃位错，竖直方向三个刃位错的叉状复合二元振幅光栅。

6.根据权利要求4所述的一种生成贝塞尔光束的方法，其特征在于：所述全息片衍射图的透过率函数为T_σ,κ(ρ,φ)=exp[-ik(n-1)ασcos(φ-κρ)]，其相位分布为Φ(ρ,φ)=(n-1)ασcos(φ-κρ)；其中，φ和ρ分别为输入光场的极角和极径，σ是螺旋光束的旋转半径，κ是旋转速率，k为波数，n为轴锥镜的折射率，α为轴锥镜的锥角。

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