CN105242404A - 一种基于切趾波带片产生局域空心光束的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于切趾波带片产生局域空心光束的方法，激光器出射线偏振高斯光束，依次经过准直扩束镜准直、衰减片光强衰减、分光棱镜透射后，透射光束以垂直入射方式到达空间光调制器；设计七环π相移切趾波带片，得到波带片相位图；选择空间光调制器自带透镜相位图，将其与波带片相位图一同加载到空间光调制器液晶屏上对空间光调制器入射光束进行相位调制；调制后光束出射再经过分光棱镜反射聚焦得到局域空心光束，被CCD图像接收器接收，根据CCD所拍摄的图像与CCD像素计算出暗斑尺寸。此方法装置结构简单、稳定性好、能量转换效率高且得到的局域空心光束的暗斑区域光强为零，这对于光学隐身方面的应用具有特殊意义。

Description

一种基于切趾波带片产生局域空心光束的方法

技术领域

本发明涉及一种光学领域，特别涉及一种基于切趾波带片产生局域空心光束的方法。

背景技术

随着激光技术的发展及激光应用领域的扩展，新型光束的产生与研究一直是热点研究领域。局域空心光束，指的是光强为零或光强较小的区域的四周被光强较大的光场包围的特殊光束，它像一个特殊的“密闭容器”，也被称为“瓶状光束”(Bottlebeam)。局域空心光束在微观粒子操控、激光导管、光镊及光学扳手等方面具有广泛应用，因此有关局域空心光束的产生一直是众多学者关注的焦点。

目前，产生局域空心光束的方法有很多，如高斯光束与拉盖尔高斯光束干涉法、端面抽运固体激光器法、轴棱镜法、莫尔条纹法和散斑图法等。但这些方法操作繁杂、转换效率低且产生的暗斑区域光强不够小，无法满足光学隐身等方面的应用需要。

发明内容

本发明是针对现在产生局域空心光束方法存在的问题，提出了一种基于切趾波带片产生局域空心光束的方法，此方法能量转换效率高、实验装置简单且光束暗斑区域光强为零，可以实现光学隐身等方面的应用需要。

本发明的技术方案为：一种基于切趾波带片产生局域空心光束的方法，具体包括如下步骤：

1)搭建产生局域空心光束的装置：包括激光器、准直扩束镜、衰减片、分光棱镜、空间光调制器和CCD图像接收器，激光器出射线偏振高斯光束，依次经过准直扩束镜准直、衰减片光强衰减、分光棱镜透射后，透射光束以垂直入射方式到达空间光调制器；

2)设计七环π相移切趾波带片，设定七环半径，像素与空间光调制器液晶屏匹配，得到从中心到最外圈的0、π相间的同心七圆光栅相位片，即为波带片相位图；

3)选择空间光调制器自带透镜相位图，将其与步骤2)所得波带片相位图一同加载到空间光调制器液晶屏上对空间光调制器入射光束进行相位调制；

4)相位调制后光束出射再经过分光棱镜反射，反射光束聚焦为局域空心光束，被CCD图像接收器接收，根据CCD所拍摄的图像与CCD像素计算出暗斑尺寸。

所述经准直扩束镜准直后，其光斑直径等于空间光调制器液晶屏短轴长度。

所述分光棱镜采用透射率与反射率均为50％的分光棱镜。

所述空间光调制器采用反射式纯相位空间光调制器。

所述透镜相位图选择相位值为正值，调制效果相当于凹面镜，凹面镜的焦距等于步骤4)中从空间光调制器出射光经过分光棱镜反射聚焦形成局域空心光束的光程。

本发明的有益效果在于：本发明基于切趾波带片产生局域空心光束的方法，技术方案中波带片相位图为按要求计算机编程得到，其参数易于修改且使用空间光调制器具有调制效率高、能耗低、速度快等优点；透镜相位图为空间光调制器软件自带，其调制效果类似于球面镜，通过调节透镜相位的相位值其对应的球面镜焦距不同，透镜相位的使用省去了选用不同焦距透镜的麻烦；所提供的局域空心光束产生装置结构简单、稳定性好、能量转换效率高且得到的局域空心光束的暗斑区域光强为零，这对于光学隐身方面的应用具有特殊意义。

附图说明

图1为本发明基于切趾波带片产生局域空心光束的装置结构示意图；

图2为本发明中七环π相移切趾波带片结构示意图；

图3为本发明中波带片相位图；

图4为本发明中相位值为20的透镜相位图；

图5为本发明产生的局域空心光束在距离空间光调制器光程36.2cm处光强分布二维图；

图6为本发明产生的局域空心光束在距离空间光调制器光程36.2cm处光强分布一维图。

具体实施方式

如图1为基于切趾波带片产生局域空心光束的装置结构示意图，激光器1出射线偏振高斯光束，其偏振方向与空间光调制器5的液晶屏长轴方向平行；高斯光束经准直扩束镜2后其光斑直径恰好等于空间光调制器5液晶屏短轴长度；而后光束经衰减片3后光强减弱，使其不超过空间光调制器5与CCD图像接收器6的损伤阈值；经衰减的线偏振高斯光束通过分光棱镜4分为反射光束与透射光束，透射光束以垂直入射方式到达空间光调制器5，反射光向左传播，不研究；根据如图2所示七环π相移切趾波带片结构，通过计算机编程得到的如图3所示的波带片相位图(未填充区域设置为0、π相间的光栅相位)，并通过计算机软件将波带片相位图与如图4所示相位值为20的透镜相位图同时加载于空间光调制器5上；上述光束在空间光调制器液晶屏上进行相位调制后以反射方式出射；出射光束再次通过分光棱镜4分为反射光束与透镜光速，反射光束聚焦所得光束，即为得到的局域空心光束；使用CCD(前后1.5cm范围内)获取局域空心光束光强分布，并根据CCD所拍摄的图像与CCD像素计算出暗斑尺寸。

图3是根据图2结构设计出具体参数的实物图，用于加载到空间光调制器上。图3的要求：一、图片像素为1920*1080，与空间光调制器液晶屏的像素匹配；二、七环波带片半径比例为r_j＝0,0.084,0.206,0.386,0.594,0.794,0.944,1；三、加载到空间光调制器液晶屏上的图像素应为1920*1080，而中心的七环波带片图像无法填充满，未填充部分用0、π相间的光栅相位。这种相位图不涉及技术问题，Matlab软件产生出的电子图片而已，而后通过空间光调制器自带的应用软件将其加载到液晶屏上。液晶屏为电寻址液晶屏，会根据所加载的相位图像控制每个液晶位置处的外电压，相位图像灰度的不同使外电压不同，外电压不同使液晶分子指向不同，液晶分子指向不同使光束经过液晶反射时的光程差不同，从而使反射光与入射光产生的相位延迟不同，起到调制入射光束相位的效果。最终的结果就是，相位图的灰度值对应反射光的相位延迟，即灰度为零的位置对应产生0的相位延迟，灰度为255的位置对应产生2π的相位延迟。

波带片相位图应恰好符合空间光调制器液晶屏的像素要求，但波带片相位为圆形，而空间光调制器液晶屏为长方形，因此波带片相位无法填充整个液晶屏。将波带片相位设置在液晶屏中心部位，而其他未填充区域设置为相位值0、π相间的光栅相位，用于消除光束的零级衍射。光束经相位值为0的位置反射后其光束相位不变，光束经相位值为π的位置反射后其光束相位延迟为π。

此处透镜相位图是空间光调制器应用软件自带的一种相位图，与图3没有关系。它的功能就是将其加载到液晶屏上会起到对入射光束会聚或发散的作用，即平行光入射，反射光会聚或发散，其功能可以认为是一个参数可变的凹面镜或凸面镜。其中，相位值为正值时，其调制效果相当于凹面镜；相位值为负值时，其调制效果相当于凸面镜。这里选择相位值为20的透镜相位时，其调制效果相当于焦距为为36.2cm的凹面镜，反射光束聚焦在距离空间光调制器光程36.2cm处。

在实施例中，激光器1采用He-Ne激光器，出射光束波长为632nm；分光棱镜4采用透射率与反射率均为50％的分光棱镜；空间光调制器5采用Holoeye公司Pluto型反射式纯相位空间光调制器，其液晶屏像素个数为1920×1080，像素大小为8um，有效面积为15.36mm×8.64mm；CCD6采用大恒公司DH-HV2002UC型号CCD，其图像传感器分辨率为1600×1200，像素大小为4.2um；图3与图4所示的波带片相位图与透镜相位图恰好匹配液晶屏大小。

入射光束经空间光调制器5调制与聚焦后得到的局域空心光束的光场分布为：

$G(\mathrm{\ρ},z)=2{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N\exp \left({\mathrm{i\φ}}_j\right){\∫}_{r_{j-1}}^{r_j}{\mathrm{rJ}}_0\left(\mathrm{\ρ}r\right)\exp \[(-\frac{1}{2}){\mathrm{izr}}^2\]dr---\left(1\right)$

其中，激光器1出射光束传播方向为轴向(z轴或光轴)，与轴向垂直的方向为径向(r轴)(局域空心光束从径向看成圆对称分布，所以径向指的是与光轴垂直的平面内任一方向)，N为波带片环数(N＝7)，φ_j(j＝1,……N)为波带片第j环相位(φ_j＝0,π,0,π,0,π,0)，r_j(j＝1,2……N)为波带片第j环半径(r_j＝0，0.084，0.206，0.386，0.594，0.794，0.944，1)，r₀＝0，r为径向坐标，J₀为零阶贝塞尔函数，ρ为径向简化坐标，z为轴向简化坐标。

ρ＝(2π/λ)(NA)R(2)

z＝(2π/λ)(NA)²Z₁(3)

其中，R为径向实际坐标，Z₁为轴向实际坐标，NA为空间光调制器自带透镜相位调制后的凹面镜数值孔径。简化坐标与实际坐标间关系由式(2)、(3)给出，式(1)、(4)、(5)振幅分布中全用简化坐标表示，这是基于切趾波带片理论。

光束沿光轴(ρ＝0)归一化振幅分布为：

$G(0,z)=2{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N\exp \left({\mathrm{i\φ}}_j\right){\∫}_{r_{j-1}}^{r_j}r\exp \[(-\frac{1}{2}){\mathrm{izr}}^2\]dr---\left(4\right)$

光束在焦平面(z＝0)处沿径向归一化振幅分布为：

$G(\mathrm{\ρ},0)=2{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N\exp \left({\mathrm{i\φ}}_j\right){\∫}_{r_{j-1}}^{r_j}{\mathrm{rJ}}_0\left(\mathrm{\ρ}r\right)dr---\left(5\right)$

由式(4)可以看出，局域空心光束在轴向具有焦点附近光强为零，较远位置光强较大的特点，表现出光束沿轴向的“密闭性”。由式(5)可以看出，局域空心光束在径向具有在光轴附近光强为零，距光轴较远位置光强较大的特点，表现出光束沿径向的“密闭性”。

如图5、6所示为本发明产生的局域空心光束在距离空间光调制器光程36.2cm处光强分布二维图与一维图。通过计算得到光束的暗斑半径为50.4um，且其光强基本为零，这将在光学隐身方面具有巨大的应用潜力。

Claims (5)

1.一种基于切趾波带片产生局域空心光束的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）搭建产生局域空心光束的装置：包括激光器、准直扩束镜、衰减片、分光棱镜、空间光调制器和CCD图像接收器，激光器出射线偏振高斯光束，依次经过准直扩束镜准直、衰减片光强衰减、分光棱镜透射后，透射光束以垂直入射方式到达空间光调制器；

2）设计七环π相移切趾波带片，设定七环半径，像素与空间光调制器液晶屏匹配，得到从中心到最外圈的0、相间的同心七圆光栅相位片，即为波带片相位图；

3）选择空间光调制器自带透镜相位图，将其与步骤2）所得波带片相位图一同加载到空间光调制器液晶屏上对空间光调制器入射光束进行相位调制；

4）相位调制后光束出射再经过分光棱镜反射，反射光束聚焦为局域空心光束，被CCD图像接收器接收，根据CCD所拍摄的图像与CCD像素计算出暗斑尺寸。

2.根据权利要求1所述基于切趾波带片产生局域空心光束的方法，其特征在于，所述经准直扩束镜准直后，其光斑直径等于空间光调制器液晶屏短轴长度。

3.根据权利要求1或2所述基于切趾波带片产生局域空心光束的方法，其特征在于，所述分光棱镜采用透射率与反射率均为50%的分光棱镜。

4.根据权利要求3所述基于切趾波带片产生局域空心光束的方法，其特征在于，所述空间光调制器采用反射式纯相位空间光调制器。

5.根据权利要求3所述基于切趾波带片产生局域空心光束的方法，其特征在于，所述透镜相位图选择相位值为正值，调制效果相当于凹面镜，凹面镜的焦距等于步骤4）中从空间光调制器出射光经过分光棱镜反射聚焦形成局域空心光束的光程。