CN104932108B - 一种基于自相位调制的空心光束的获得方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于自相位调制的空心光束的获得方法：步骤1，将近共振高斯光束聚焦于非线性吸收介质中；步骤2，将非线性吸收介质出射后的光束进行准直，使其进入成像装置；步骤3，调节非线性吸收介质的温度直至位于远场的成像装置上出现明显的衍射同心圆环图样；保持非线性吸收介质的温度不变，调节激光束入射功率直至位于远场的成像装置上仅出现一个同心圆环；步骤4，调整非线性吸收介质的位置，即得暗斑尺寸不同的空心光束。本发明的方法具有结构简单、操作容易、暗斑尺寸可控的优点。

Description

一种基于自相位调制的空心光束的获得方法及装置
技术领域
本发明属于非线性光学范畴，具体涉及一种基于自相位调制的空心光束的获得方法及装置。
背景技术
在光学领域中，空心光束泛指中心强度弱且边缘强度强的光束(印建平等，空心光束的产生及其在现代光学中的应用，物理学进展，24(3)：336-380,2004)。空心光束在在激光加工、原子冷却、原子操控、超分辨成像技术等领域有着非常重要的应用价值。目前，能够实现空心光束的方法有横模选择法、几何光学法、模式变换法、光学全息法、计算全息法和微米尺寸中空光纤法等。然而这些方法在应用过程中，均存在实现该方法装置的结构复杂的缺陷，这限制了空心光束的应用范围。
发明内容
针对上述现有实现空心光束的方法采用的装置结构复杂的缺陷，本发明的目的在于，提供一种基于自相位调制的空心光束获得方法及装置，该方法通过自相位调制使得激光光强重新分布，具有实现该方法装置的结构简单、便于操作；同时，该方法过程中，暗斑尺寸可控。
为了实现上述目的，本发明的采用如下技术方案予以实现：
一种基于自相位调制的空心光束的获得方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，将近共振高斯光束聚焦于非线性吸收介质中；
步骤2，将非线性吸收介质出射后的光束进行准直，使其进入成像装置；
步骤3，调节非线性吸收介质的温度直至位于远场的成像装置上出现明显的衍射同心圆环图样；保持非线性吸收介质的温度不变，调节激光束入射功率直至位于远场的成像装置上仅出现一个同心圆环；
步骤4，调整非线性吸收介质的位置，即得暗斑尺寸不同的空心光束。
进一步的，所述步骤的调整非线性吸收介质的位置，即得暗斑尺寸不同的空心光束具体是指：
如果激光器发出的高斯光束的频率的失谐量为正，将非线性吸收介质前端面置于所述光束的腰斑位置前侧靠近腰斑的不同位置处，即得暗斑尺寸不同的空心光束；
如果激光器1发出的高斯光束的频率的失谐量为负，将非线性吸收介质前端面置于所述光束的腰斑位置后侧靠近腰斑的不同位置处，即得暗斑尺寸不同的空心光束。
进一步的，所述非线性吸收介质是指能够产生Kerr效应的非线性吸收介质。
进一步的，所述能够产生Kerr效应的非线性吸收介质为铅玻璃、钠原子池或者铷原子池等。
进一步的，所述激光器发出的激光具有高斯型光强分布。
进一步的，所述激光器采用可调谐的环形钛宝石激光器。
进一步的，所述成像装置选择接收屏。
进一步的，所述接收屏为CCD。
本发明基于自相位调制，将一束激光聚焦于非线性吸收介质中，由于Kerr效应，激光束强度发生重新分布，得到中心为暗，边缘为亮的空心光束。本发明的方法实现简单，降低了操作难度，也节约了成本；同时，得到的空心光束的暗斑尺寸可控。
附图说明
图1是本发明的光路示意图。
其中，1、激光器；2、非线性吸收介质；3、成像装置；4、第一凸透镜；5、第二凸透镜。
图2是本发明的实施例得到的空心光束的效果图。
下面结合附图对本发明做进一步描述。
具体实施方式
本发明给出了一种基于自相位调制的空心光束的获得方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，将近共振高斯光束通过第一凸透镜4聚焦于非线性吸收介质2中；
步骤2，采用第二凸透镜5将非线性吸收介质2出射后的光束进行准直，使其进入成像装置3；
步骤3，调节非线性吸收介质2的温度直至位于远场的成像装置3上出现明显的衍射同心圆环图样；保持非线性吸收介质2的温度不变，调节激光束入射功率直至位于远场的成像装置3上仅出现一个同心圆环；
步骤4，调整非线性吸收介质2的位置，即得暗斑尺寸不同的空心光束。
进一步的，如果激光器1发出的高斯光束的频率的失谐量为正，将非线性吸收介质2前端面置于所述光束的腰斑位置前侧靠近腰斑的不同位置处，即得暗斑尺寸不同的空心光束；
如果激光器1发出的高斯光束的频率的失谐量为负，将非线性吸收介质2前端面置于所述光束的腰斑位置后侧靠近腰斑的不同位置处，即得暗斑尺寸不同的空心光束。
腰斑位置前侧、后侧以光束的传播方向为准。
可选的，本发明中的非线性吸收介质2是指能够产生Kerr效应的非线性吸收介质，如铅玻璃、钠原子池、铷原子池等。
所述激光器1发出的激光具有高斯型光强分布。
成像装置3选择能够对光束成像的装置，如接收屏。
本发明的原理如下：
根据Kerr效应，当一束高斯光束与非线性介质相互作用时，介质折射率n不再是一个常数，而是和高斯光束光强I有关，表示为：n＝n0+n2I，其中，n0是线性折射率，为一常数；n2为非线性折射率系数；
因此，高斯光束在非线性介质2中传播时，由于介质折射率的改变量Δn＝n2I，将会产生一个附加的相移Δφ(r)，表示为：
将入射高斯光束经过凸透镜聚焦后的腰斑位置设为坐标原点；设传播方向为z轴；z0为非线性吸收介质前端面的位置，L为非线性吸收介质2的长度。考虑了非线性相移之后，可根据菲涅尔-基尔霍夫衍射公式得到激光束的远场衍射光强分布：
式中，D表示非线性吸收介质2出射端与位于远场的成像装置3之间距离，λ为入射高斯光束波长，R(z0)为高斯光束在介质入射端面的波前曲率半径，k为波矢，r为径向坐标，θ和分别表示远场衍射角和出射端面的角坐标。
将式(1)中的Δφ(r)代入式(2)，得到由非线性吸收介质2作用后的远场空心光束的光强分布。
因此，本发明的方法通过调节非线性吸收介质2的温度以及激光束的功率确定得到空心光束的条件，然后在该条件下通过调整非线性吸收介质2的位置得到中心暗斑尺寸可控的空心光束。
实施例1：
准备如下测试器件：
激光器，选用连续可调谐的环形钛宝石激光器(Matisse TR)。
相同的凸透镜两个，焦距500mm。
非线性吸收介质，铷(Rb)原子池，利用加热带控制其温度。
CCD，用于成像。
如图1所示，使用本发明的方法获得空心光束的具体步骤如下：
步骤1，将可调谐环形钛宝石(Matisse TR)激光器1发出的近共振(波长780.2410nm)高斯光束利用凸透镜4进行聚焦，得到腰斑大小为172um的高斯光束，并将腰斑位置设为坐标原点；经过透镜变换的高斯光束聚焦于Rb原子池中；
步骤2，采用第二凸透镜5将非线性吸收介质2出射后的光束进行准直，使其进入成像装置3；
步骤3，使用加热带调节非线性吸收介质2的温度直至位于远场的成像装置3上出现明显的衍射同心圆环图样，此时温度为90℃。保持非线性吸收介质2的温度不变，调节激光束入射功率直至位于远场的成像装置3上仅出现一个同心圆环，此时功率为100mW。在该条件下，激光束与Rb原子池相互作用，出射后的光束通过凸透镜4准直后进入成像装置3可以明显观察到光强重新分布的空心光；
步骤4，由于激光器1发出的高斯光束的频率的失谐量为正，因此将Rb原子池置于所述光束的腰斑位置前侧靠近腰斑的不同位置处，即得暗斑尺寸不同的空心光束；
如图2所示，本发明的方法能够获得空心光束。图(b)-(d)分别表示Rb原子池前端面置于与激光束腰斑位置相距6mm，10mm,13mm和17mm时，获得空心光束光斑，可见，改变样品池前端面与激光束腰斑位置之间的距离，获得空心光束暗斑尺寸会发生相应的改变。
实施例1为本发明较优的实施例，但本发明不仅限于该实施例，任何按照本发明的方法获得暗斑尺寸发生变化的空心光束的方法均在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种基于自相位调制的空心光束的获得方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1，将近共振高斯光束聚焦于非线性吸收介质中；
步骤2，将非线性吸收介质出射后的光束进行准直，使其进入成像装置；
步骤3，调节非线性吸收介质的温度直至位于远场的成像装置上出现明显的衍射同心圆环图样；保持非线性吸收介质的温度不变，调节激光束入射功率直至位于远场的成像装置上仅出现一个同心圆环；
步骤4，调整非线性吸收介质的位置，即得暗斑尺寸不同的空心光束，具体是指：
如果激光器发出的高斯光束的频率的失谐量为正，将非线性吸收介质前端面置于所述光束的腰斑位置前侧靠近腰斑的不同位置处，即得暗斑尺寸不同的空心光束；
如果激光器发出的高斯光束的频率的失谐量为负，将非线性吸收介质前端面置于所述光束的腰斑位置后侧靠近腰斑的不同位置处，即得暗斑尺寸不同的空心光束。
2.如权利要求1所述的基于自相位调制的空心光束的获得方法，其特征在于，所述非线性吸收介质是指能够产生Kerr效应的非线性吸收介质。
3.如权利要求1所述的基于自相位调制的空心光束的获得方法，其特征在于，所述激光器发出的激光具有高斯型光强分布。
4.如权利要求1或3所述的基于自相位调制的空心光束的获得方法，其特征在于，所述激光器采用可调谐的环形钛宝石激光器。
5.如权利要求1所述的基于自相位调制的空心光束的获得方法，其特征在于，所述成像装置选择接收屏。
6.如权利要求5所述的基于自相位调制的空心光束的获得方法，其特征在于，所述接收屏为CCD。
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