CN104635344A - 一种参数可调节的贝塞尔光束产生装置及其产生方法 - Google Patents

Abstract

一种参数可调节的贝塞尔光束产生装置及其产生方法，包括一连续波激光器，该连续波激光器发出的光束被全反镜反射后进入滤波器，然后经凸透镜准直，准直后的光束经起偏器后变为线偏振光，照射在分束立方体上；经分束立方体后的反射光照射在反射式空间光调制器上，经反射式空间光调制器反射后产生涡旋光束，涡旋光束经过分束立方体、检偏器后照射在光阑上；经过光阑后的涡旋光束垂直照射在透射式空间光调制器上，经过透射式空间光调制器后产生贝赛尔光束，贝赛尔光束在CCD相机中成像，并存储进计算机进行分析；本发明装置具有原理简洁、成本低廉、参数可实时在线调节的优点；本发明可广泛应用于微粒光操纵、光学测试等领域。

Description

一种参数可调节的贝塞尔光束产生装置及其产生方法

技术领域

本发明涉及一种贝塞尔光束产生装置和产生方法，具体的说涉及一种参数可灵活调节的贝塞尔光束产生装置及其光束产生方法，可广泛应用于微粒光操纵、光学测试等领域。

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。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。而现实中没有直接发射贝赛尔光束的光源，因此，研究如何产生高质量、参数可调节的贝赛尔光束成为信息光学中的一个研究热点。

在贝赛尔光束的产生方法中，经文献检索，发明专利“产生径向贝塞尔-高斯光束的系统和方法”(公开号为102981277A，公开日为2013.03.20)，提供了一种产生径向偏振贝塞尔-高斯光束的系统和方法，该方法可以通过产生不同的全息图来产生不同环数的径向偏振贝塞尔高斯光束；发明专利“基于圆环达曼光栅的贝塞尔光束产生器”(授权号为ZL201110388322.4，授权日为2013.10.30)，提出一种基于圆环达曼光栅的贝塞尔光束产生器，该装置能产生微米级聚焦光斑和超长焦深的贝塞尔光束；发明专利“一种基于相全息图产生任意阶次无衍射贝塞尔光束阵列的方法和装置”(公开号102981277A，公开日为2013.03.20)，该方法能量利用率高，可获得任意阶射贝塞尔光束阵列。然而，在这些贝赛尔光束的产生方法中，一旦光学元件选定，所生成的贝赛尔光束的特性就固定下来；但在很多应用场合，需要对贝赛尔光束的光斑大小及焦深等参数进行实时调节，以适应光学系统的要求。

分析可知，在现有产生贝赛尔光束的技术中，尚缺少一种对贝赛尔光束参数进行实时在线可调节的产生装置和产生方法。

发明内容

为解决上述技术问题，提供了一种参数可实时在线调节的贝塞尔光束产生装置及其产生方法。

本发明采用如下技术方案：一种参数可调节的贝塞尔光束产生装置，包括一连续波激光器，该连续波激光器发出的光束被全反镜反射后进入滤波器，然后经凸透镜准直，准直后的光束经起偏器后变为线偏振光，照射在分束立方体上；

经分束立方体后的光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；反射光照射在反射式空间光调制器上，经反射式空间光调制器反射后产生涡旋光束，涡旋光束经过分束立方体、检偏器后照射在光阑上；

经过光阑后的涡旋光束垂直照射在透射式空间光调制器上，经过透射式空间光调制器后产生贝赛尔光束，贝赛尔光束在CCD相机中成像，并存储进计算机进行分析；

所述的滤波器与凸透镜间的距离为该凸透镜的焦距；所述的反射式空间光调制器、透射式空间光调制器、CCD相机分别与计算机相连。

进一步优化，一种参数可调节的贝塞尔光束产生装置，所述的滤波器为针孔滤波器。

一种参数可调节的贝赛尔光束产生方法，步骤如下：

步骤一、利用衍射光学元件设计的Gershberg-Saxton迭代算法，产生参数可调节的锥透镜衍射光学元件相位图，写入透射式空间光调制器，具体过程如下，

垂直入射到锥透镜上的涡旋光束的电场表示为：

其中， 为振幅常数，为束腰半径，为拓扑电荷数，为虚数单位；

锥透镜的振幅透过率为：

式中，为锥透镜材料折射率，为锥透镜的锥角，即锥透镜锥面与底平面的夹角；为波数，为锥透镜光瞳半径；

涡旋光束经过锥透镜后的复振幅分布为：

以该复振幅所在平面为输入平面，以其夫琅禾费衍射平面为目标平面，由于输入平面与目标平面是傅里叶变换关系，在输入平面和目标平面间不断利用傅里叶变换和傅里叶逆变换进行迭代计算；每个迭代过程中，在输入平面和目标平面其相位利用变换后的相位，振幅分别用输入平面振幅和目标平面振幅替换；经过次迭代运算后得到锥透镜衍射光学元件相位图；

步骤二、利用计算机将锥透镜的相位图写入透射式空间光调制器；

步骤三、结合计算全息技术，生成涡旋光束与平面波的干涉相位图；利用计算机写入反射式空间光调制器；

步骤四、打开连续波激光器电源，连续波激光器发出的光束被全反镜反射后，进入针孔滤波器、然后经凸透镜准直，准直后的光束经起偏器后变为线偏振光，照射在分束立方体上；经分束立方体后的光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；所述的反射光束照射在反射式空间光调制器上；

步骤五、照射在反射式空间光调制器上的光束作为参考光束，用以衍射再现涡旋光束；衍射再现的涡旋光束经过分束立方体、检偏器后照射在光阑上；光阑的作用是选择反射式空间光调制器的一级衍射光作为涡旋光束；

步骤六、经过光阑后的涡旋光束垂直照射在透射式空间光调制器上，此时的透射式空间光调制器实质上是作为参数可自由调节的锥透镜；

步骤七、所述的涡旋光束经过透射式空间光调制器后产生贝赛尔光束；

步骤八、所述的贝赛尔光束在CCD相机中成像后，图像进入计算机进行后续分析；

步骤九、根据计算机分析结果，通过调节步骤一中锥透镜材料折射率或锥角的数值，产生所需的参数可自由调节的贝赛尔光束。

有益效果：与以往技术相比，本发明装置和方法能够实现参数可实时在线自由调节的贝赛尔光束；本发明装置具有原理简洁、成本低廉、参数可实时在线调节的优点；本发明可广泛应用于微粒光操纵、光学测试等领域。

附图说明

图1是本发明的装置原理图；

图中标记：100-激光器，110-全反镜，120-滤波器，130-凸透镜，141-起偏器，142-检偏器，150-分束立方体，200-反射式空间光调制器，210-光阑，220-透射式空间光调制器，300-CCD相机，400-计算机。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明。

如附图所示，一种参数可调节的贝塞尔光束产生装置，包括一连续波激光器100，该实施例中连续波激光器100选择波长为632.8nm，功率为1mW的激光器；该连续波激光器100发出的光束被全反镜110反射后进入滤波器120，可以选择针孔滤波器，然后经凸透镜130准直，准直后的光束经起偏器141后变为线偏振光，照射在分束立方体150上；

经分束立方体150后的光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；反射光照射在反射式空间光调制器200上，经反射式空间光调制器200反射后产生涡旋光束，涡旋光束经过分束立方体150、检偏器142后照射在光阑210上，经过光阑210后的涡旋光束垂直照射在透射式空间光调制器220上，经过透射式空间光调制器220后产生贝赛尔光束，贝赛尔光束在CCD相机300中成像；后存储进计算机400进行分析；

所述的滤波器120与凸透镜130间的距离为该凸透镜130的焦距；所述的反射式空间光调制器200、透射式空间光调制器220、CCD相机300分别与计算机400相连；

所述的反射式空间光调制器200的作用是产生涡旋光束；所述的起偏器141和检偏器142用于调节涡旋光束的光束质量；所述的光阑210的作用是选择反射式空间光调制器200衍射光场的一级衍射光束；所述的透射式空间光调制器200的作用是作为参数可调的锥透镜；涡旋光束经过反射式空间光调制器200后产生贝赛尔光束。

一种贝赛尔光束产生方法，具体步骤如下：

步骤一、利用衍射光学元件设计的Gershberg-Saxton（G-S）迭代算法，产生参数可调节的锥透镜衍射光学元件相位图，写入透射式空间光调制器220，具体过程如下：

垂直入射到锥透镜上的涡旋光束的电场表示为：

其中， 为振幅常数，为束腰半径，为拓扑电荷数，为虚数单位；

锥透镜的振幅透过率为：

式中，为锥透镜材料折射率，为锥透镜的锥角，即锥透镜锥面与底平面的夹角；为波数，为锥透镜光瞳半径；

涡旋光束经过锥透镜后的复振幅分布为：

以该复振幅所在平面为输入平面，以其夫琅禾费衍射平面为目标平面，由于输入平面与目标平面是傅里叶变换关系，在输入平面和目标平面间不断利用傅里叶变换和傅里叶逆变换进行迭代计算；每个迭代过程中，在输入平面和目标平面其相位利用变换后的相位，振幅分别用输入平面振幅和目标平面振幅替换；经过次迭代运算后得到锥透镜衍射光学元件相位图；

步骤二、利用计算机400将锥透镜的相位图写入透射式空间光调制器220；

步骤三、结合计算全息技术，生成涡旋光束与平面波的干涉相位图；利用计算机400写入反射式空间光调制器200；

步骤四、打开连续波激光器电源100，连续波激光器100发出的光束被全反镜110反射后，进入针孔滤波器、然后经凸透镜130准直，准直后的光束经起偏器141后变为线偏振光，照射在分束立方体150上；经分束立方体150后的光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；所述的反射光束照射在反射式空间光调制器200上；

步骤五、照射在反射式空间光调制器200上的光束作为参考光束，用以衍射再现涡旋光束；衍射再现的涡旋光束经过分束立方体150、检偏器142后照射在光阑210上；光阑210的作用是选择反射式空间光调制器200的一级衍射光作为涡旋光束；

步骤六、经过光阑210后的涡旋光束垂直照射在透射式空间光调制器220上，此时的透射式空间光调制器220实质上是作为参数可自由调节的锥透镜；

步骤七、所述的涡旋光束经过透射式空间光调制器220后产生贝赛尔光束；

步骤八、所述的贝赛尔光束在CCD相机300中成像后，图像进入计算机400进行后续分析；

步骤九、根据计算机400分析结果，通过调节步骤一中锥透镜材料折射率或锥角的数值，产生所需的参数可自由调节的贝赛尔光束。

经实验表明：本发明装置和方法能产生参数可调的贝赛尔光束，并且具有原理简洁、结构简单，可在线调控，易于操作的优点。

Claims (3)

1.一种参数可调节的贝塞尔光束产生装置，其特征在于：包括一连续波激光器，该连续波激光器发出的光束被全反镜反射后进入滤波器，然后经凸透镜准直，准直后的光束经起偏器后变为线偏振光，照射在分束立方体上；

经分束立方体后的光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；反射光照射在反射式空间光调制器上，经反射式空间光调制器反射后产生涡旋光束，涡旋光束经过分束立方体、检偏器后照射在光阑上；

经过光阑后的涡旋光束垂直照射在透射式空间光调制器上，经过透射式空间光调制器后产生贝赛尔光束，贝赛尔光束在CCD相机中成像，并存储进计算机进行分析；

所述的滤波器与凸透镜间的距离为该凸透镜的焦距；所述的反射式空间光调制器、透射式空间光调制器、CCD相机分别与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的一种参数可调节的贝塞尔光束产生装置，其特征在于：所述的滤波器为针孔滤波器。

3.一种参数可调节的贝赛尔光束产生方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一、利用衍射光学元件设计的Gershberg-Saxton迭代算法，产生参数可调节的锥透镜衍射光学元件相位图，写入透射式空间光调制器，具体过程如下，

垂直入射到锥透镜上的涡旋光束的电场表示为：

其中， 为振幅常数，为束腰半径，为拓扑电荷数，为虚数单位；

锥透镜的振幅透过率为：

式中，为锥透镜材料折射率，为锥透镜的锥角，即锥透镜锥面与底平面的夹角；为波数，为锥透镜光瞳半径；

涡旋光束经过锥透镜后的复振幅分布为：

以该复振幅所在平面为输入平面，以其夫琅禾费衍射平面为目标平面，由于输入平面与目标平面是傅里叶变换关系，在输入平面和目标平面间不断利用傅里叶变换和傅里叶逆变换进行迭代计算；每个迭代过程中，在输入平面和目标平面其相位利用变换后的相位，振幅分别用输入平面振幅和目标平面振幅替换；经过次迭代运算后得到锥透镜衍射光学元件相位图；

步骤二、利用计算机将锥透镜的相位图写入透射式空间光调制器；

步骤三、结合计算全息技术，生成涡旋光束与平面波的干涉相位图；利用计算机写入反射式空间光调制器；

步骤四、打开连续波激光器电源，连续波激光器发出的光束被全反镜反射后，进入针孔滤波器、然后经凸透镜准直，准直后的光束经起偏器后变为线偏振光，照射在分束立方体上；经分束立方体后的光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；所述的反射光束照射在反射式空间光调制器上；

步骤五、照射在反射式空间光调制器上的光束作为参考光束，用以衍射再现涡旋光束；衍射再现的涡旋光束经过分束立方体、检偏器后照射在光阑上；光阑的作用是选择反射式空间光调制器的一级衍射光作为涡旋光束；

步骤六、经过光阑后的涡旋光束垂直照射在透射式空间光调制器上，此时的透射式空间光调制器实质上是作为参数可自由调节的锥透镜；

步骤七、所述的涡旋光束经过透射式空间光调制器后产生贝赛尔光束；

步骤八、所述的贝赛尔光束在CCD相机中成像后，图像进入计算机进行后续分析；

步骤九、根据计算机分析结果，通过调节步骤一中锥透镜材料折射率或锥角的数值，产生所需的参数可自由调节的贝赛尔光束。