CN106094218B - 一种空心光束的产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空心光束的产生装置。其中，该装置包括空间光调制器、分束器、反射镜和变换系统。空间光调制器、反射镜和变换系统分别在分束器不同的侧部；空间光调制器与分束器之间的距离等于反射镜与分束器之间的距离；空间光调制器用于接收分束器所射出的第一光束和向分束器反射出第二光束，第一光束与第二光束具有π的相位差；变换系统用于接收分束器所射出的第三光束和输出空心光束，第三光束为第二光束与反射镜反射的第四光束重合的光束；第二光束与第四光束具有π的相位差。本发明利用分束器实现激光光束的耦合，对激光光束直接调制产生空心光束，装置简单易操作。

Description

一种空心光束的产生装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种空心光束的产生装置。
背景技术
空心光束是一种在传播方向上中心光强或轴向光强为零的光束，此类光束的中心存在相位奇异点。由于空心光束广泛地应用在生命科学与纳米技术、二元光学、原子光学以及微观粒子的激光控制和导向，从而受到人们的关注。
近年来，空心光束的产生以及空心光束类型等问题引发了国内外许多学者的密切关注，并成为重要的研究课题。人们运用各种各样的方法得到多种空心光束，包括：模式转换法、几何光学方法、光学全息法、计算机全息法、横模选择法、相位片法、空间光调制器法和中空波法等。目前最常用的是利用激光器产生的激光光束通过准直透镜系统、光阑和轴棱锥后产生Bessel光束，再经过椭圆环形孔径衍射得到空心光束，具体装置如图1。激光器10发出的激光光束经过第一透镜11和第二透镜12扩束后，通过光阑13和周棱锥14射入椭圆环形孔径15，激光光束通过椭圆环形孔径15的衍射输出空心光束，最后利用采集设备16采集空心光束。
通过椭圆环形孔径15衍射得到的空心光束形状单一，有大量能量损失，不利于空心光束在实际中的应用。其他方式获得空心光束的方法，多数需要对激光光束进行模式转换，实验装置复杂，且对实验装置中各个环节的部件要求较高，操作起来都相对复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种简单且容易操作的装置来获得空心光束。该装置利用分束器实现光束的耦合，对耦合的激光光束直接调制，无需对激光光束进行模式转换，并且，通过该装置获得的空心光束无能量损失。
本发明实施例提供了一种空心光束的产生装置，包括空间光调制器、分束器、反射镜和变换系统；
所述空间光调制器、所述反射镜和所述变换系统分别在所述分束器不同的侧部；
所述空间光调制器与所述分束器之间的距离等于所述反射镜与所述分束器之间的距离；
所述空间光调制器用于接收所述分束器所射出的第一光束和向所述分束器反射出第二光束，所述第一光束与第二光束具有π的相位差；
所述变换系统用于接收所述分束器所射出的第三光束和输出空心光束，所述第三光束为所述第二光束与所述反射镜反射的第四光束重合的光束；所述第四光束与所述第二光束具有π的相位差。
优选的，本发明实施例提供了一种空心光束的产生装置，其中，所述变换系统包括第一广义透镜、第二广义透镜和第三广义透镜，且所述第一广义透镜、所述第二广义透镜和所述第三广义透镜均由两个平凸柱面透镜组成；
组成所述第一广义透镜的两个平凸柱面透镜的两个平面转动贴合，平凸柱面透镜可偏离对称轴的最大旋转角度为90度；
组成所述第二广义透镜的两个平凸柱面透镜的两个平面转动贴合，平凸柱面透镜可偏离对称轴的最大旋转角度为90度；
组成所述第三广义透镜的两个平凸柱面透镜的两个平面转动贴合，平凸柱面透镜可偏离对称轴的最大旋转角度为90度。
优选的，本发明实施例提供了一种空心光束的产生装置，其中，组成所述第一广义透镜和所述第三广义透镜的每个平凸柱面透镜的焦距相等；组成所述第二广义透镜的焦距为组成所述第一广义透镜的每个平凸透镜的焦距的一半；
所述第二广义透镜的中心位置到所述第一广义透镜的中心位置的距离和所述第二广义透镜的中心位置到所述第三广义透镜的中心位置的距离相等，均为所述第一广义透镜的焦距。
优选的，本发明实施例提供了一种空心光束的产生装置，还包括激光光源，所述激光光源为波长为632.1nm的氦氖激光。
优选的，本发明实施例提供了一种空心光束的产生装置，其中，所述变换系统的变换角度为0.578π。
优选的，本发明实施例提供了一种空心光束的产生装置，其中，所述变换系统的变换角度为0.422π。
优选的，本发明实施例提供了一种空心光束的产生装置，其中，第二光束的光斑尺寸小于第四光束的光斑尺寸。
优选的，本发明实施例提供了一种空心光束的产生装置，还包括CCD相机；
所述CCD相机，用于采集从变换系统输出的空心光束。
优选的，本发明实施例提供了一种空心光束的产生装置，其中，
所述第二光束的功率小于所述第四光束的功率。
优选的，本发明实施例提供了一种空心光束的产生装置，其中，所述变换系统为Gyrator变换系统。
本发明实施例提供的一种空心光束的产生装置，主要包括间光调制器、分束器、反射镜和变换系统。空间光调制器、反射镜和变换系统分别在分束器不同的侧部；空间光调制器与分束器之间的距离等于反射镜与分束器之间的距离；空间光调制器用于接收分束器所射出的第一光束和向分束器反射出第二光束，第一光束与第二光束具有π的相位差；变换系统用于接收分束器所射出的第三光束和输出空心光束，第三光束为第二光束与反射镜反射的第四光束重合的光束，第四光束与第二光束具有π的相位差。分束器将激光光束分为两束光，分别入射到空间光调制器和反射镜上，入射到空间光调制器上的光束经过相位调制得到与原光束具有π相位差的光束，所述具有π相位差的光束与反射镜反射的光束经过分束器重合在一起并入射到变换系统，变换系统对入射到其中的重合光束进行调制得到空心光束。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了一种目前常用的产生空心光束的装置图；
图2示出了本发明实施例所提供的一种空心光束的产生装置示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的一种空心光束的产生装置中分束器的结构示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的一种空心光束的产生装置中第一广义透镜的结构图；
图5示出了本发明实施例所提供的一种空心光束的产生装置中Gyrator变换系统变换角为0.578π产生的空心光束图；
图6示出了本发明实施例所提供的一种空心光束的产生装置中第四光束和第二光束的光斑图；
图7示出了本发明实施例所提供的一种空心光束的产生装置中Gyrator变换实验系统产生的空心光束随第一个广义透镜角度变化图；
图8示出了本发明实施例所提供的一种空心光束的产生装置中Gyrator变换实验系统产生的空心光束图，变换角为0.422π(左)，变换角为0.578π(右)。
附图中数字代表意义如下：
10-激光器
11-第一透镜
12-第二透镜
13-光阑
14-轴棱锥
15-椭圆环形孔径
16-采集设备
20-分束器
201-第一侧部
202-第二侧部
203-第三侧部
204-第四侧部
21-反射镜
22-变换系统
221-平凸柱面镜
23-CCD相机
24-空间光调制器
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，获得空心光束的方法包括模式转换法、几何光学方法、光学全息法、计算机全息法、横模选择法、相位片法、空间光调制器法和中空波法等。其中，π相位片法首先需要制作一个π相位片，该位相片的中心圆盘与外面相邻圆环之间存在着一个精确的位相差；接着，让一束准直的光束照射到该π相位片上，然后再通过透镜聚焦。由于光束在通过这一π相位片的内外二环时将发生相消干涉，从而导致在焦点附近产生局部区域光强为零的局域空心光束。空间光调制器法是将两束光的相位信息同时加载在一个空间光调制器上在输出得到空心光束。空间光调制器的核心部件是一个类似于全息相位片的显示器，其工作原理与全息法类似。首先，将初始光束和目标光束的相位信息输入计算机，计算机模拟出两束光的全息相位图，然后利用傅里叶变换将全息图的信息加载到显示器上，当初始光束射入到已经加载好相位信息的空间光调制器后，出射光束即为所需要的光束。
上述两种方式获得空心光束的方法，多数需要对激光光束进行模式转换，实验装置复杂，且对实验装置中各个环节的部件要求较高，操作起来都相对复杂。基于此，本发明实施例提供的一种空心光束的产生方法。下面通过实施例进行描述。
如图2所示，本发明实施例提供的一种空心光束的产生装置，包括空间光调制器24、分束器20、反射镜21和变换系统22；
空间光调制器24、反射镜21和变换系统22分别在分束器20不同的侧部；
空间光调制器24与分束器20之间的距离等于反射镜21与分束器20之间的距离；
空间光调制器24用于接收分束器20所射出的第一光束和向分束器20反射出第二光束，第一光束与第二光束具有π的相位差；
变换系统22用于接收分束器20所射出的第三光束和输出空心光束，第三光束为第二光束与反射镜21反射的第四光束重合的光束；第二光束与第四光束具有π的相位差。
具体的，本发明实施例中，分束器20包含四个侧部，如图3所示，分别为第一侧部201、第二侧部202、第三侧部203和第四侧部204。架设好分束器20后，将激光器10、空间光调制器24、反射镜21和变换系统22分别设置在分束器20的第一侧部201、第二侧部202、第三侧部203和第四侧部204且远离分束器20的位置上，以使激光光源发射出的激光光束入射到第一侧部201中，经过分束器20分束后得到第一光束和第四光束分别从第二侧部202和第三侧部203射出。第一光束入射到空间光调制器24上，第四光束入射到反射镜21上。空间光调制器24接收到第一光束后对第一光束进行相位调制，调制后向分束器20反射第二光束，第一光束与第二光束具有π的相位差。第四光束经过反射镜21反射后返回到分束器20的第三侧部203，返回的光束仍为第四光束，且相位差没有变化。第二光束与第四光束重合组成第三光束，第三光束从分束器20的第四侧部204射出。第三光束入射到变换系统22中，经过变换系统22的调制，得到空心光束。这里需要注意的是，前述激光器10、空间光调制器24、反射镜21和变换系统22设置在分束器20的四个侧部只是其中一个优选实施例，不仅仅限于前述位置关系，还可以得到其他位置关系，如对调反射镜21与空间光调制器24的位置，只要保证分束器20、激光光源、空间光调制器24、反射镜21和变换系统22的位置设置能够实现各自的功能即可。
需要强调的是，组成第三光束的第二光束和第四光束具有相同的光束参数，如束腰宽度、发散角度等。经过空间光调制器24相位调制后，第二光束与第四光束具有π的相位差。为使得第二光束与第四光束也具有严格的π的相位差，必须消除光程差对第二光束和第四光束相位的影响。此时，需要仔细调节空间光调制器24到分束器20的距离和反射镜21到分束器20的距离，使得二者距离完全相等。
作为本发明实施例的一个优选实施例，上述变换系统22为Gyrator变换系统。Gyrator变换属于傅里叶变换的一种衍生形式，与分数傅里叶变换关系紧密，是傅里叶变换的一种衍生式，从数学角度来说属于线性正则变换积分，作为傅里叶变换的一种新形式，Gyrator变换理论受到人们的广泛关注。Gyrator变换的出现为光学研究提供了一种新的研究相空间分布的手段。Gyrator变换具有特殊的性质和研究价值，在光束传输、全息技术、光束整形、图像加密、模式转换等领域有着重要的应用。
本发明实施例的Gyrator变换系统包括第一广义透镜、第二广义透镜和第三广义透镜，且第一广义透镜、第二广义透镜和第三广义透镜均由两个平凸柱面透镜组成；
组成第一广义透镜的两个平凸柱面透镜的两个平面转动贴合，平凸柱面透镜可偏离对称轴的最大旋转角度为90度；
组成第二广义透镜的两个平凸柱面透镜的两个平面转动贴合，平凸柱面透镜可偏离对称轴的最大旋转角度为90度；
组成第三广义透镜的两个平凸柱面透镜的两个平面转动贴合，平凸柱面透镜可偏离对称轴的最大旋转角度为90度。
第一广义透镜、第二广义透镜和第三广义透镜的具体结构如图4所示。本发明实施例通过Gyrator变换系统22的变换角与第一广义透镜、第二广义透镜和第三广义透镜的旋转角之间的关系，将变换角转化为操作中每个平凸柱面镜221的旋转角多来对光束进行调制。二维函数的Gytator变换公式为：
其中，U(x,y)表示在xy平面的光场分布，xy平面为图4所示坐标系，光场沿垂直于xy平面的方向传播，xi,yi表示光在xy平面传输的位置坐标。Gytator变换系统中α叫做变换角度。Gytator变换变换角α与广义透镜转换参数之间的关系为：
第一广义透镜、第二广义透镜和第三广义透镜的变换参数为旋转角度，第一个广义透镜和第三个广义透镜的旋转角度用表示，第二广义透镜的旋转角度用表示。为图中每个平凸柱面镜221对于y轴的旋转角度，如图4所示。
作为本发明的一个优选实施例，组成第一广义透镜和第三广义透镜的每个平凸柱面透镜的焦距相等；组成第二广义透镜的焦距为组成第一广义透镜的每个平凸透镜的焦距的一半；
第二广义透镜的中心位置到第一广义透镜的中心位置的距离和第二广义透镜的中心位置到第三广义透镜的中心位置的距离相等，均为第一广义透镜的焦距。
具体的，组成第一个和第三个广义透镜系统的平凸柱面镜221的焦距为400mm，组成第二个广义透镜的平凸柱面镜221的焦距为200mm，故第二广义透镜的中心位置到第一广义透镜的中心位置的距离和第二广义透镜的中心位置到第三广义透镜的中心位置的距离相等，均等于400mm。
作为本发明的一个优选实施例，激光光源为波长为632.1nm的氦氖激光。
本发明所提供的一种空心光束的产生装置，空心光束的参数与空间光调制器24调制后的第二光束和反射镜21反射的第四光束的参数相关。即反射镜21反射光束的尺寸决定空心光束的光斑大小，空心光束暗斑尺寸则由空间光调制器24反射的光束尺寸决定。因为空间光调制器24反射的光束相对于平面镜反射的光束有π的相位差，这两束光在经过Gyrator变换系统第一个广义透镜前叠加形成有π的相位差的光束，Gyrator变换能够实现在相空间中空间频率域和空间域中的任意旋转，光束经过Gyrator变换系统调制，在光束的中心两束光干涉相消，形成中央的暗斑，在光束中心附近干涉相长，将中心能量转移到中心两侧，从而形成空心光束。因此，调节空间光调制器24调制后的第二光束和反射镜21反射的第四光束的参数可以调节空心光束的形状，得到圆形或椭圆形的空心光束。
作为本发明的一个优选实施例，调节第一广义透镜的两个平凸透镜偏离对称轴的旋转角度，使得变换系统的变换角度为0.578π，同时，使得第二光束的光斑尺寸小于第四光束的光斑尺寸。此时，Gyrator变换系统输出的光束为圆形的空心光束，如图5所示。对该空心光束的光斑大小进行测量，空心暗斑尺寸：竖直方向直径0.0966mm，水平方向直径0.1911mm；空心光斑的尺寸：竖直方向直径0.5187mm，水平方向直径0.7245mm。在变换系统的变换角度为0.578π的情况下，对反射镜21反射的第四光束和空间光调制器24调制后的第二光束进行采集测量，如图6所示，得到第四光束的光斑尺寸：竖直方向直径0.5302mm，水平方向直径0.7303mm，第二光束的光斑尺寸：竖直方向直径0.105mm，水平方向直径0.2289mm。由此可知，第四光束尺寸决定空心光束的光斑尺寸，第二光束则影响空心光束的暗斑尺寸。
如图7所示，调节第一广义透镜的两个平凸透镜偏离对称轴的旋转角度，随着该旋转角度的变化，变换系统的变换角度随之变化，空心光束的结构被破坏，最后空心光束变为普通高斯光束。图7中所述角度均为第一广义透镜的两个平凸透镜偏离对称轴的旋转角度。同理，调节第二个广义透镜的旋转角度，空心光束的变化规律与第一广义透镜的旋转角度相同，第一广义透镜与第三个广义透镜完全相同，广义透镜的角度变化会破坏空心光束的形状，且变化规律相同。
需要强调的是，将变换系统的变换角度调节为0.578π只是本发明的一个优选实施例，还可以根据调节旋转角度改变变换角度得到不同尺寸的空心光束。Gyrator变换变换角度互补，得到的空心光束的形状基本相同。调节Gyrator变换系统的变换角度为0.422π时，得到空心光束的形状与调节Gyrator变换系统的变换角度为0.578π时基本相同。
作为本发明的一个优选实施例，该装置还包括CCD相机23，该CCD相机23用于采集从变换系统22输出的空心光束。
作为本发明的一个优选实施例，第二光束的光功率为0.01mw，第四光束的光功率为0.18mw。第二光束与第四光束重合后的第三光束经过Gyrator变换系统得到的空心光束光功率为0.19mw，即空心光束的光功率为第二光束的光功率与第四光束的光功率之和。光束的能量没有损失，只是在Gyrator变换系统中，能量从光束中心转移到两侧。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种空心光束的产生装置，其特征在于，包括空间光调制器、分束器、反射镜和变换系统；
所述空间光调制器、所述反射镜和所述变换系统分别在所述分束器不同的侧部；
所述空间光调制器与所述分束器之间的距离等于所述反射镜与所述分束器之间的距离；
所述空间光调制器用于接收所述分束器所射出的第一光束和向所述分束器反射出第二光束，所述第一光束与第二光束具有π的相位差；
所述变换系统用于接收所述分束器所射出的第三光束和输出空心光束，所述第三光束为所述第二光束与所述反射镜反射的第四光束重合的光束；所述第二光束与第四光束具有π的相位差；
所述变换系统包括第一广义透镜、第二广义透镜和第三广义透镜，且所述第一广义透镜、所述第二广义透镜和所述第三广义透镜均由两个平凸柱面透镜组成；
组成所述第一广义透镜的两个平凸柱面透镜的两个平面转动贴合，平凸柱面透镜可偏离对称轴的最大旋转角度为90度；
组成所述第二广义透镜的两个平凸柱面透镜的两个平面转动贴合，平凸柱面透镜可偏离对称轴的最大旋转角度为90度；
组成所述第三广义透镜的两个平凸柱面透镜的两个平面转动贴合，平凸柱面透镜可偏离对称轴的最大旋转角度为90度。
2.根据权利要求1所述的一种空心光束的产生装置，其特征在于，组成所述第一广义透镜和所述第三广义透镜的每个平凸柱面透镜的焦距相等；组成所述第二广义透镜的焦距为组成所述第一广义透镜的焦距的一半；
所述第二广义透镜的中心位置到所述第一广义透镜的中心位置的距离和所述第二广义透镜的中心位置到所述第三广义透镜的中心位置的距离相等，均为所述第一广义透镜的焦距。
3.根据权利要求2所述的一种空心光束的产生装置，其特征在于，还包括激光光源，所述激光光源为波长为632.1nm的氦氖激光。
4.根据权利要求3所述的一种空心光束的产生装置，其特征在于，所述变换系统的变换角度为0.578π。
5.根据权利要求3所述的一种空心光束的产生装置，其特征在于，所述变换系统的变换角度为0.422π。
6.根据权利要求4所述的一种空心光束的产生装置，其特征在于，第二光束的光斑尺寸小于第四光束的光斑尺寸。
7.根据权利要求6所述的一种空心光束的产生装置，其特征在于，还包括CCD相机；
所述CCD相机，用于采集从变换系统输出的空心光束。
8.根据权利要求6所述的一种空心光束的产生装置，其特征在于，所述第二光束的功率小于所述第四光束的功率。
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