CN104950453B - 一种产生全庞加莱光束的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生全庞加莱光束的装置和方法，依次包括激光器、扩束镜、叉形光栅、分光棱镜、第一圆形光阑、第一衰减片、第一平面镜、第二圆形光阑、半波片、第二平面镜、第二衰减片、偏振分光棱镜。其中第一圆形光阑和第一衰减片以及第一平面镜位于分光棱镜的透射光路上，第二圆形光阑、第二平面镜、第二衰减片位于分光棱镜的反射光路上。本发明庞加莱光束产生装置的元器件简单易购，且这些元器件对强光收比较小，对激光强度要求较小；通过简易结构，对高斯光束和拉盖尔光束进行合成，通过调第一节衰减片和第二衰减片可以得到全庞加莱光束。

Description

一种产生全庞加莱光束的装置和方法

技术领域

本发明涉及应用光学技术领域，特别是涉及一种庞加莱光束的产生方法和装置。

背景技术

自上世纪第一台红宝石激光器被发明出来以后，激光技术得到了迅猛的发展，激光技术极大的促进了社会的进步和发展。偏振特性是激光的一项重要特性，通过大量实验研究通过改变激光的偏振特性可以有效的降低激光在湍流大气中闪烁指数，这一优势将可以大幅提高激光在大气传输中的质量，为大气激光通讯、激光武器、激光遥感等应用奠定基础。

近年来，通过改变激光的偏振特性来改善激光传输特性的研究引起了研究者们的兴趣，庞加莱光束就是这种具有特殊偏振的光束。在经典光学中，我们用Stokes参量来描述光束的光波的偏振状态，为了更加直观的表示光波的偏振状态，H.Poincaré提出了一种椭圆偏振光偏振状态的几何表示方法，该方法以Stokes参量中的S0为半径做一个球体，该球体就是庞加莱球，球面上每一个点都对应着不同的偏振状态，而全庞加莱光束的横截面上的偏振状态包含了庞加莱球面上所描述的所有偏振状态。

不同于传统的标量光束，全庞加莱光束对亚微米级颗粒的作用力分为三个部分，即：散射力、梯度力、卷曲力。由于特殊的偏振分布以及涡旋相位全庞加莱光束具有卷曲力，这种力可以有效的控制亚微米级颗粒。这就为全庞加莱光束应用于微粒操控、粒子囚禁等奠定了基础。除此之外，庞加莱光束可以有效的应用于光束整形，通过改变庞加莱光束初始参量可以在远场得到不同的光强分布，包括：空心光束、高斯光束、平顶光束等。全庞加莱光束的优良特性还不止于此，近期经实验验证，全庞加莱光束在湍流大气中传输时可以有效的降低光束的闪烁指数，通过改变全庞加莱光束的初始参数可以进一步减小湍流大气对光束的影响。

目前并没有合适的产生全庞加莱光束的装置和方法，有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种产生全庞加莱光束的装置和方法，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种全庞加莱光束的装置和方法。

本发明的技术方案如下：

一种产生全庞加莱光束的装置，包括，

光源，用于产生激发光；

扩束镜，用于接收来自所述光源的光束并且将所接收的光束进行扩束；

叉形光栅，刻蚀在光栅玻璃上，用于过滤所述光束得到零级高斯光束以及一级拉盖尔高斯光束的混合光束；

分光棱镜，用于接收来自所述叉形光栅的光束，将来自所述叉形光栅的光束分为透射混合光束和垂直于透射方向的反射混合光束；

第一圆形光阑，对分光棱镜中的透射混合光束进行过滤，过滤一级拉盖尔光束；

第一衰减片，用于接收第一圆形光阑过滤后的零级高斯光束并调节零级高斯光束的光强峰值；

第一平面镜，用于垂直反射第一衰减片的零级高斯光束；

半波片，用于接收第一平面镜反射的零级高斯光束，并调节零级高斯光束的偏振方向；

第二圆形光阑，对分光棱镜中的反射混合光束进行过滤，过滤零级高斯光束；

第二平面镜，用于垂直反射第二圆形光阑的一级拉盖尔光束；

第二衰减片，用于接收第二平面镜反射的一级拉盖尔光束并调节一级拉盖尔光束的光强峰值；

偏振分光棱镜，用于接收半波片射出的零级高斯光束和由第二衰减片射出一级拉盖尔光束用，并对接收到的零级高斯光束和由一级拉盖尔光束进行合成。

进一步的，所述光源为激光器，所述激光器为He-Ne气体激光器。

进一步的，所述光栅玻璃所用材料是熔凝石英SiO2，其折射率是1.45843。

进一步的，所述叉形光栅的线对数是20lp/mm(线对/毫米)，叉形光栅表面凸起的高度是入射光束的一个波长(本发明中d＝0.632um)，其中光栅表面凸起部分呈余弦分布。

一种产生全庞加莱光束的方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1:光源发出准直的高斯光束，经扩束镜后射向叉形光栅，高斯光束通过光栅玻璃后取零级高斯光束以及一级拉盖尔高斯光束；

S2：零级高斯光束和一级拉盖尔光束经过分光棱镜，分别透射和反射后用第一圆形光阑将透射过的一级拉盖尔光束滤掉，用第二圆形光阑将反射的零级高斯光束滤掉；

S3：将所述步骤S2中透射的零级高斯光束射向第一衰减片，零级高斯光束通过第一衰减片后用第一平面镜将其垂直反射至半波片，

S4：将所述步骤S2中反射的一级拉盖尔光束射向第二平面镜，经第二平面镜垂直反射后射向第二衰减片；

S5：旋转半波片的角度使步骤S3中的一级高斯光束的线偏振方向与步骤S4中反射的零级拉盖尔光束偏振方向相互垂直；

S6：将从半波片射出的零级高斯光束和由第二衰减片射出一级拉盖尔光束用偏振分光棱镜合成，调节射出的两束光平行共轴成一束合成光，此束合成光束即为全庞加莱光束。

进一步的，所述步骤S2和步骤S3中，通过调节第一衰减片和第二衰减片的角度，使透射的高斯光束和反射的一级拉盖尔光束的光强峰值比为1:1。

进一步的，所述零级高斯光束的电场满足下列表达式：

进一步的，所述一阶拉盖尔高斯光束的的电场满足下列表达式，其中下列表达式中的m取值1：

进一步的，所述全庞加莱光束的电场满足下列表达式：

其中：

式中，exp()代表e指数函数；φ＝tan^-1(z/Z_R)是Gouy是Gouy相位，ω₀是高斯光束的束腰半径，称为瑞利尺寸，是光束在位置z处的束腰半径；γ是一个调控因子，它调节着光束的光强大小，逆时针为正，顺时针为负，角度范围为0°≤γ≤90°；具体表达式是

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明庞加莱光束产生装置的元器件简单易购，且这些元器件对光强吸收比较小，对激光强度要求较小；

(2)通过简易结构，对高斯光束和拉盖尔光束进行合成，通过调第一节衰减片和第二衰减片可以得到全庞加莱光束；

(3)扩束镜与圆形光阑为连续可调式元器件，具有较好的适用性；

(4)测量装置利用CCD对光强分布进行拍照，并利用计算机对所拍的照片进行叠加，可获得光强分布图像，其操作简单、易于调整。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明光束产生系统的结构示意图；

图2是本发明的全庞加莱光束在光源面上的光强等高分布图；

图3是本发明的一阶拉盖尔高斯光束在光源面上的光强等高分布图；

图4是本发明的高斯光束光束在光源面上的光强等高分布图；

图5是本发明的叉形光栅的正视图

图6是本发明的叉形光栅的俯视图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，在本发明中，一种产生全庞加莱光束的装置依次包括激光器1、扩束镜2、叉形光栅3、分光棱镜4、第一圆形光阑5、第一衰减片6、第一平面镜7、第二圆形光阑8、半波片9、第二平面镜10、第二衰减片11、偏振分光棱镜12。其中第一圆形光阑5和第一衰减片6以及第一平面镜7位于分光棱镜4的透射光路上，第二圆形光阑8、第二平面镜10、第二衰减片11位于分光棱镜4的反射光路上。其中光源1，用于产生激发光；扩束镜2，用于接收来自光源的光束并且将所接收的光束进行扩束；叉形光栅3，刻蚀在光栅玻璃上，用于过滤光束得到零级高斯光束以及一级拉盖尔高斯光束的混合光束；分光棱镜4，用于接收来自叉形光栅3的光束，将来自叉形光栅3的光束分为透射混合光束和垂直于透射方向的反射混合光束；第一圆形光阑5，对分光棱镜4中的透射混合光束进行过滤，过滤一级拉盖尔光束；第一衰减片6，用于接收第一圆形光阑5过滤后的零级高斯光束并调节零级高斯光束的光强峰值；第一平面镜7，用于垂直反射第一衰减片6的零级高斯光束；半波片9，用于接收第一平面镜7反射的零级高斯光束，并调节零级高斯光束的偏振方向；第二圆形光阑8，对分光棱镜4中的反射混合光束进行过滤，过滤零级高斯光束；第二平面镜10，用于垂直反射第二圆形光阑8的一级拉盖尔光束；第二衰减片11，用于接收第二平面镜10反射的一级拉盖尔光束并调节一级拉盖尔光束的光强峰值；偏振分光棱镜12，用于接收半波片射出的零级高斯光束和由第二衰减片11射出一级拉盖尔光束用，并对接收到的零级高斯光束和由一级拉盖尔光束进行合成。

叉形光栅所用的玻璃原片需要符合国标：GB4871、GB9963和GB11614。光栅玻璃所用材料是熔凝石英SiO2，其折射率是：1.45843。光栅表面中间一条脊(图5中用白线条表示,从左往有数第41条)在光栅中心处分为两条脊，两条脊的位置与没有分叉前的脊临近的凹槽(图5中用黑线条表示)相对应。光栅玻璃的长宽尺寸是15.36mm*8.64mm，厚度为4.55mm，制作时所允许的精度误差为：±(1+L/200)(L表示光栅玻璃的长度或者宽度)。光栅的线对数为20lp/mm(线对数/毫米)。本发明中光栅玻璃的适应的波段是可见光波段，即400nm-760nm。叉形光栅表面凸起的高度为所用激光束的一个波长(本项发明中d＝0.633um)，光栅中的脊(类似于半圆)分布曲线按照遵照余弦函数的分布。根据光栅衍射原理，当一束高斯光束照射到此光栅上，其透射的衍射光束中零级衍射光束是高斯光束，一级衍射光束是拉盖尔-高斯光束，这两个光束是合成庞加莱光束的基本条件。

与传统胶片式叉形光栅相比，光栅玻璃具有耐高温、不易腐蚀、允许入射光光波段较广等优势。传统的胶片式光栅是利用对胶片进行显定影处理得到叉形光栅，这种叉形光栅易腐蚀且对入射光的功率有严格的要求，功率较高时胶片就会被严重烧蚀，其出射光的质量也很不理想。

本发明的产生全庞加莱光束的的方法如下：

S1：光源发出准直的高斯光束，经扩束镜后射向叉形光栅，高斯光束通过光栅玻璃后取零级高斯光束以及一级拉盖尔高斯光束；

S2：零级高斯光束和一级拉盖尔光束经过分光棱镜，分别透射和反射后用第一圆形光阑将透射过的一级拉盖尔光束滤掉，用第二圆形光阑将反射的零级高斯光束滤掉；

S3：将所述步骤S2中透射的零级高斯光束射向第一衰减片，零级高斯光束通过第一衰减片后用第一平面镜将其垂直反射至半波片，

S4：将所述步骤S2中反射的一级拉盖尔光束射向第二平面镜，经第二平面镜垂直反射后射向第二衰减片；

S5：旋转半波片的角度使步骤S3中的零级高斯光束的线偏振方向与步骤S4中反射的一级拉盖尔光束偏振方向相互垂直；

S6：将从半波片射出的零高斯光束和由第二衰减片射出一级拉盖尔光束用偏振分光棱镜合成，调节射出的两束光平行共轴成一束合成光，此束合成光束即为全庞加莱光束。

在步骤S2和步骤S3中，通过调节第一衰减片和第二衰减片的角度，使透射的零级高斯光束和反射的一级拉盖尔光束的光强峰值比为1:1。

全庞加莱光束的电场表达式可表示为：

其中，零阶拉盖尔高斯光束的电场表达式是：

一阶拉盖尔高斯光束的电场表达式是，下式中m取值1：

上述式中：γ是一个调控因子，它调节着光束的光强大小，逆时针为正，顺时针为负，角度范围为0°≤γ≤90°；r是径向坐标，是方位角；是光束在位置z处的束腰半径；称为瑞利尺寸；Q(z)＝z-iZ_R；φ＝tan^-1(z/Z_R)是Gouy相位，ω₀是高斯光束的束腰半径。cos()、sin()分别代表余弦、正弦函数，exp()代表e指数函数。

将零阶拉盖尔高斯光束和一阶拉盖尔高斯光束带入全庞加莱光束的电场表达式并化简后可得：

其中，公共因子：

光束在x方向和y方向振幅之比：光束在x方向和y方向相位差为：从庞加莱光束电场表达式的化简式可以看出：光斑中越靠近z轴的点其r值越小，Ω越趋近于0，此时全庞加莱光束的偏振状态主要是x轴的偏振状态决定的；随着r值得不断增大，Ω的值也在不断的增大，在这一过程中，全庞加莱光束的偏振状态会逐渐由x轴的偏振状态过渡到y轴的偏振状态，由于全庞加莱光束在x轴方向和y轴方向的相位差为：因此在任意位置z处，光斑中心和远离z轴处的相位变化会经历从0到2mπ的变化，因此这种合成光束的偏振状态会经历m次庞加莱表面的所有偏振态，这种光束我们称之为m阶全庞加莱光束。由于全庞加莱光束在传播过程中，z值在不断的变化，因此全庞加莱光束的偏振状态会发生旋转，这种偏振状态的旋转会产生一个卷曲力，这种卷曲力可以操控微小粒子。其中

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种产生全庞加莱光束的装置，包括，

光源，用于产生激发光；

扩束镜，用于接收来自所述光源的光束并且将所接收的光束进行扩束；

叉形光栅，刻蚀在光栅玻璃上，用于过滤所述光束得到零级高斯光束以及一级拉盖尔光束的混合光束；所述光栅玻璃所用材料是熔凝石英SiO2，其折射率是1.45843，所述叉形光栅的表面凸起，所述叉形光栅的线对数是20lp/mm，叉形光栅表面凸起的高度是入射光束的一个波长，其中光栅表面凸起部分呈余弦分布；

分光棱镜，用于接收来自所述叉形光栅的光束，将来自所述叉形光栅的混合光束分为透射混合光束和垂直于透射方向的反射混合光束；

第一圆形光阑，对分光棱镜中的透射混合光束进行过滤，过滤一级拉盖尔光束；

第一衰减片，用于接收第一圆形光阑过滤后的零级高斯光束并调节零级高斯光束的光强峰值；

第一平面镜，用于垂直反射第一衰减片的零级高斯光束；

半波片，用于接收第一平面镜反射的零级高斯光束，并调节零级高斯光束的偏振方向，使之偏振方向由之前的竖直方向变为水平方向；

第二圆形光阑，对分光棱镜中的反射混合光束进行过滤，过滤零级高斯光束；

第二平面镜，用于垂直反射第二圆形光阑的一级拉盖尔光束；

第二衰减片，用于接收第二平面镜反射的一级拉盖尔光束并调节一级拉盖尔光束的光强峰值；

偏振分光棱镜，用于共轴叠加所述零级高斯光束和所述一级拉盖尔光束。

2.根据权利要求1所述的一种产生全庞加莱光束的装置，其特征在于：所述光源为He-Ne气体激光器。

3.一种产生全庞加莱光束的方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1:光源发出准直的高斯光束，经扩束镜扩束后射向叉形光栅，高斯光束通过光栅玻璃后取零级高斯光束以及一级拉盖尔光束；

S2：零级高斯光束和一级拉盖尔光束经过分光棱镜，分别透射和反射后用第一圆形光阑将透射过的一级拉盖尔光束滤掉，用第二圆形光阑将反射的零级高斯光束滤掉；

S3：将所述步骤S2中透射的零级高斯光束射向第一衰减片，零级高斯光束通过第一衰减片后用第一平面镜将其垂直反射至半波片，

S4：将所述步骤S2中反射的一级拉盖尔光束射向第二平面镜，经第二平面镜垂直反射后射向第二衰减片；

S5：旋转半波片的角度使步骤S3中的零级高斯光束的线偏振方向与步骤S4中反射的一级拉盖尔光束偏振方向相互垂直；

S6：将从半波片射出的零级高斯光束和由第二衰减片射出一级拉盖尔光束用偏振分光棱镜合成，调节射出的两束光平行共轴成一束合成光，此束合成光束即为全庞加莱光束。

4.根据权利要求3所述的一种产生全庞加莱光束的方法，其特征在于：所述步骤S2和步骤S3中，通过调节第一衰减片和第二衰减片的角度，使透射的零级高斯光束和反射的一级拉盖尔光束的光强峰值比为1:1。

5.根据权利要求4所述的一种产生全庞加莱光束的方法，其特征在于：所述零级高斯光束的电场满足下列表达式：

式中，γ是一个调控因子，它调节着光束的光强大小，逆时针为正，顺时针为负，角度范围为0°≤γ≤90°；r是径向坐标，是方位角；是光束在位置z处的束腰半径；称为瑞利尺寸；Q(z)＝z-iZ_R；φ＝tan^-1(z/Z_R)是Gouy相位，ω₀是高斯光束的束腰半径,cos()、sin()分别代表余弦、正弦函数，exp()代表e指数函数。

6.根据权利要求3所述的一种产生全庞加莱光束的方法，其特征在于：所述一级拉盖尔光束的的电场满足下列表达式，其中下列表达式中的m取值1：

式中，m是拉盖尔高斯光束的阶数；ω₀是拉盖尔高斯光束的束腰半径，称为瑞利尺寸，是光束在位置z处的束腰半径；r是径向坐标，是方位角；exp()代表e指数函数；Q(z)＝z-iZ_R；φ＝tan^-1(z/Z_R)是Gouy相位。

7.根据权利要求3所述的一种产生全庞加莱光束的方法，其特征在于：所述全庞加莱光束的电场满足下列表达式：

其中：

<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mfrac> </msqrt> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mi>exp</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>ik&amp;gamma;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>Q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mi>exp</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>i</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mi>z</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> </mrow>

式中，exp()代表e指数函数；φ＝tan^-1(z/Z_R)是Gouy相位，ω₀是高斯光束的束腰半径，称为瑞利尺寸，是光束在位置z处的束腰半径；γ是一个调控因子，它调节着光束的光强大小，逆时针为正，顺时针为负，角度范围为0°≤γ≤90°；k表示波数，具体表达式是