CN106444048B - 一种高斯谢尔模光束的整形方法及整形系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高斯谢尔模光束的整形方法，高斯谢尔模光束经扩束镜扩束改变光斑大小后，垂直入射第一薄透镜，并聚焦到振幅衰减片，从振幅衰减片出来的光束经第二薄透镜准直输出，即可得到特殊部分相干光束。本发明可实现对高斯谢尔模光束的光强和相干度同时或单独进行调制，可得到光强和相干度分布都为非高斯型的，极大的丰富了光束的种类。本发明还公开了一种高斯谢尔模光束的整形系统。

Description

一种高斯谢尔模光束的整形方法及整形系统

技术领域

本发明涉及激光领域，具体涉及一种高斯谢尔模光束的整形方法及整形系统。

背景技术

自激光20世纪出现以来，其所具有其他自然光束所无法媲美的四大特性：高相干性、高准直性、高强度性与单色性好，因此它推动了20世纪许多领域快速的发展，在大量研究者不竭余力对其本身特性以及应用进行探索研究，这极大加速了21世纪科技的进步。大量事实证明，激光在军事、工业以及基础科学研究发挥了无法替代的作用。

然而，很多领域表明，高相干性成了激光的“短板”，因为相干性越高，光束在传输过程中，越易引起干涉，干涉条纹更明显，会形成“斑点”，这将干扰激光信息存储与传输、成像质量差、材料热处理不均匀等；研究者对激光在湍流大气、湍流海洋等随机介质传输中发现:相干性越高，光束在传输过程中越易引起抖动(可用光束漂移量来描述)，以及光斑闪烁(可用闪烁指数来衡量)，所以这个将成为激光大气通讯的阻碍；除此之外，研究者也发现：光束相干性越小，光束越易引起发散，那么在同样的区域里，光束更均匀，这个对激光涂敷等工业领域有着重要的作用等。所以，这些就意味着：在某些领域中，我们可以通过降低光束的相干性来获得更好的应用。

对于部分相干光束经典代表非高斯谢尔模光束莫属，其光强和相干度分布都为高斯型。此光束在传输过程中，光强和相干度始终保持不变。随着对光束整形的研究，越来越多的部分相干光束出现在人们的眼前。除了经典的高斯谢尔模光束，对于其他部分相干光束而言，主要可分为两类，第一类是相干度为高斯分布，而光强分布为特定形状分布(非高斯型)，我们称之为传统部分相干光束，而第二类就是相干度为特定分布(非高斯型)，光强分布为高斯型，我们称之为具有特殊相干度分布的部分相干光束。

对于第一类传统相干度分布的部分相干光束，在实验室可由以下方式便捷产生：从激光器出来的基模光束通过旋转毛玻璃上，再通过薄透镜(薄透镜距旋转毛玻璃的距离即为薄透镜的焦距)得到部分相干光束，此相干度为高斯分布的，并且光强为均匀分布，得到的此光束，可以让它通过振幅衰减片来对光强进行整形，或者让光束通过振幅型空间光调制器来对光束光强分布进行整形。这样我们可以得到不同非高斯型光强分布，相干度为高斯分布的部分相干光束。

对于第二类特殊相干度分布的部分相干光束，在实验上，可以借助于：从激光器出来的基模光束，首先通过液晶空间光调制器(加载由matlab产生特定的相位片)，可得到特定光强分布的完全相干光束，再通过旋转毛玻璃以及薄透镜(薄透镜距毛玻璃之间的距离为薄透镜的焦距)，最后通过高斯振幅衰减片，可获得光强分布为高斯型的部分相干光束，并且相干度分布为毛玻璃表面光强分布的傅里叶变换，可实现相干度非高斯型。

许多传统部分相干光束得到广泛的研究，比如部分相干平顶高斯光束、部分相干拉盖尔-高斯光束、部分相干余弦-高斯光束、部分相干厄米-高斯光束等等，这些光束相干度分布都为高斯分布，而光强分布为具有特定形状(非高斯)。经过研究者们大量的探索发现：这些光束在粒子捕获、大气传输、激光通讯、信息存储、医疗等方面有着重要的应用。而这些具有低相干性的光束在自由空间传输过程中，光强分布从特定形状到远场形成高斯分布。

而具有特殊相干度分布的部分相干光束，在Gori团队提出构建部分相干光束(标量以及矢量)真实关联函数的充分条件后，大量此类光束得到广泛的挖掘与研究，比如拉盖尔-高斯关联部分相干光束、余弦-高斯关联部分相干光束、厄米-高斯关联部分相干光束等等，这些光束相干度具有特定形状分布，而光强分布为高斯型。经研究表明：此类光束在激光涂敷、激光切割、信息加密、光通讯、微粒三维捕获等方面有着强大的优势。而这些具有低相干性的光束在自由空间传输过程中，光强分布从高斯型到远场形成具有特定光强分布，展示出光源处相干度分布对光束传输性质的调控。

长期以来，研究者们局限于只对光强进行调整或者只对相干度进行调整，这也限制了光束种类的多样性，所以我们在这里以高斯谢尔模光束为目标光束，提出一种设计装置对其光强和相干度同时或单独进行调制，可得到相干度分布和光强分布都为非高斯型部分相干光束，实验装置非常简单便捷，这将在军事、工业以及基础科学研究等方面有着重要的应用前景。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的发明目的在于提供一种高斯谢尔模光束整形方法，能够对高斯谢尔模光束光强和相干度进行调控，其产生的特殊部分相干光束可实现光强非高斯，相干度亦非高斯，而且易调控。整形方法简单，操作非常方便，我们只需更换振幅衰减片，即可实现对高斯谢尔模光束的光强和相干度分布进行同时调制，除此之外，利用扩束镜来改变光斑大小，实现对光强和相干度分布调制效果的控制。所产生的特殊部分相干光束在微粒捕获、激光通讯、高质量成像、信息加密、激光涂敷等众多方面有着巨大的应用前景。

为实现上述发明目的，本发明提供以下的技术方案：

一种高斯谢尔模光束的整形方法，包括以下步骤：

S1、通过一扩束镜对高斯谢尔模光束进行扩束，以实现对高斯谢尔模光束的光斑大小的连续性调节；

S2、通过一薄透镜对扩束后的高斯谢尔模光束进行聚焦；

S3、通过一振幅衰减片对聚焦后的高斯谢尔模光束进行振幅衰减，以实现对高斯谢尔模光束的光强分布的调制；

S4、通过一薄透镜对振幅衰减后的高斯谢尔模光束进行准直，即得到特殊部分相干光束。

上述技术方案中，所述扩束镜的输出面与所述第一薄透镜的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，所述第一薄透镜的输出面与所述振幅衰减片的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，以实现傅里叶变换光学传输。

上述技术方案中，所述振幅衰减片的输出面与所述第二薄透镜的输入面的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，所述第二薄透镜的输出面与特殊部分相干光束的输出面之间的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，以实现傅里叶变换光学传输。

上述技术方案中，所述扩束镜的输出面与所述第一薄透镜的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，所述第一薄透镜的输出面与所述振幅衰减片的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，所述振幅衰减片的输出面与所述第二薄透镜的输入面的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，所述第二薄透镜的输出面与特殊部分相干光束的输出面之间的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，f1与f2相等，以实现傅里叶变换光学传输。

上述技术方案中，所述高斯谢尔模光束的交叉谱密度函数表示为：

其中，w_s为束腰大小，δ_s为相干宽度。r₁,r₂为光源处两个任意点的矢量位置。

上述技术方案中，所述振幅衰减片为余弦平方式振幅衰减片，所述振幅衰减片对光强分布的调制函数表示为：

A(r)＝cos²(ar)，

其中，a为余弦平方式振幅衰减片对光强分布调制参数。

本发明还提供一种高斯谢尔模光束的整形系统，包括：

扩束镜，所述扩束镜设置在高斯谢尔模光束的输出侧，用于接收高斯谢尔模光束并对其进行扩束，以实现对高斯谢尔模光束的光斑大小的连续性调节；

第一薄透镜，所述第一薄透镜设置在所述扩束镜的输出侧，用于接收扩束后的高斯谢尔模光束将其聚焦；

振幅衰减片，所述振幅衰减片设置在所述第一薄透镜的输出侧，用于接收聚焦后的高斯谢尔模光束并对其进行振幅衰减，以实现对高斯谢尔模光束的光强分布的调制；

第二薄透镜，所述第二薄透镜设置在所述振幅衰减片的输出侧，用于接收振幅衰减后的高斯谢尔模光束进行准直，即可得到特殊部分相干光束。

上述技术方案中，所述扩束镜的输出面与所述第一薄透镜的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，所述第一薄透镜的输出面与所述振幅衰减片的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，以实现傅里叶变换光学传输。

上述技术方案中，所述振幅衰减片的输出面与所述第二薄透镜的输入面的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，所述第二薄透镜的输出面与特殊部分相干光束的输出面之间的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，以实现傅里叶变换光学传输。

上述技术方案中，所述扩束镜的输出面与所述第一薄透镜的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，所述第一薄透镜的输出面与所述振幅衰减片的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，所述振幅衰减片的输出面与所述第二薄透镜的输入面的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，所述第二薄透镜的输出面与特殊部分相干光束的输出面之间的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，f1与f2相等，以实现傅里叶变换光学传输。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1)可实现对目标光束(高斯谢尔模光束)的光强和相干度同时或单独进行调制，可得到光强和相干度分布都为非高斯型的，极大的丰富了光束的种类，可以通过更换不同的振幅衰减片，来改变参数a，可实现对特殊部分相干光束输出面处光束的光强和相干度同时进行调制；借助扩束镜来对光斑大小进行连续调节，当调节的光斑大小在一定范围内，发现在特殊部分相干光束输出面处，其光强可实现被调制，但是相干度分布几乎不变；而光源处高斯谢尔模光束，其相干性大小变化的时候，其特殊部分相干光束输出面处，其光强分布几乎不变，但是相干度可实现被调制。

2)只需调节扩束镜和更换振幅衰减片或者光源处高斯谢尔模光束的相干性大小来实现调控，操作简单便捷，并具有很好的环境实用性；

3)调制方法简单、装置结构简洁，所需装置廉价，易采购；

4)可便捷产生多种光束，可实现一系统多用途。

附图说明

图1为本发明公开的高斯谢尔模光束的整形系统的结构示意图；

图2为本发明公开的余弦平方式振幅衰减片，黑色到白色(色标对应0到1)对应着透过率0％到100％；

图3为本发明公开的不同参数a对输出面处光强的调控，其中w_s＝δ_s＝1mm，图(a)a＝2×10⁴m，图(b)a＝4.2×10⁴m，图(c)a＝15×10⁴m；

图4为本发明公开的不同参数a对输出面处相干度的调控，其中w_s＝δ_s＝1mm，图(a)a＝2×10⁴m，图(b)a＝4.2×10⁴m，图(c)a＝15×10⁴m；

图5为本发明公开的源束腰大小σ_s对输出面处光强的调控，其中δ_s＝1mm，a＝15×10⁴m，图(a)w_s＝1mm，图(b)w_s＝3.8mm，图(c)w_s＝10mm；

图6为本发明公开的源束腰大小σ_s对输出面处相干度的调控，其中δ_s＝1mm，a＝15×10⁴m，图(a)w_s＝1mm，图(b)w_s＝3.8mm，图(c)w_s＝10mm；

图7为本发明公开的源相干宽度δ_s对输出面处光强的调控，其中w_s＝1mm，a＝15×10⁴m，图(a)δ_s＝0.5mm，图(b)δ_s＝1mm，图(c)δ_s＝5mm；

图8为本发明公开的源相干宽度δ_s对输出面处相干度的调控，其中w_s＝1mm，a＝15×10⁴m，图(a)δ_s＝0.5mm，图(b)δ_s＝1mm，图(c)δ_s＝5mm；

图9为本发明公开的不同源相干宽度δ_s所对应的输出光束在自由空间传输图，其中w_s＝1mm，a＝15×10⁴m；

图10为本发明公开的在自由空间传输位置z＝100km处，不同参数对应的光强分布图，其中δ_s＝1mm，a＝15×10⁴m，w_s＝1mm。

其中，1、高斯谢尔模光源；2、扩束镜；3、第一薄透镜；4、振幅衰减片；5、第二薄透镜；a、扩束镜的输出面；b、第一薄透镜的输入面；c、第一薄透镜的输出面；d、振幅衰减片的输入面；e、频谱面；f、振幅衰减片的输出面；g、第二薄透镜的输入面；h、第二薄透镜的输出面；i、特殊部分相干光束的输出面。

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，如其中的图例所示，一种对高斯谢尔模光束的整形系统，包括依次设置的高斯谢尔模光源1、扩束镜2、第一薄透镜3、振幅衰减片4以及第二薄透镜5。

扩束镜2设置在高斯谢尔模光束的输出侧，用于接收高斯谢尔模光束并对其进行扩束，以实现对高斯谢尔模光束的光斑大小的连续性调节；

第一薄透镜3设置在扩束镜2的输出侧，用于接收扩束后的高斯谢尔模光束将其聚焦；

振幅衰减片4设置在第一薄透镜3的输出侧，用于接收聚焦后的高斯谢尔模光束并对其进行振幅衰减，以实现对高斯谢尔模光束的光强分布的调制；

第二薄透镜5设置在振幅衰减片4的输出侧，用于接收振幅衰减后的高斯谢尔模光束进行准直，即可得到特殊部分相干光束。

以下为一种高斯谢尔模光束的整形方法，包括如下步骤：

S1、通过扩束镜2对高斯谢尔模光束进行扩束，以实现对高斯谢尔模光束的光斑大小的连续性调节；

S2、通过第一薄透镜3对扩束后的高斯谢尔模光束进行聚焦；

S3、通过振幅衰减片4对聚焦后的高斯谢尔模光束进行振幅衰减，以实现对高斯谢尔模光束的光强分布的调制；

S4、通过第二薄透镜5对振幅衰减后的高斯谢尔模光束进行准直，即得到特殊部分相干光束。

高斯谢尔模光束经扩束镜2扩束改变光斑大小后，垂直入射第一薄透镜3，并聚焦到振幅衰减片4，从振幅衰减片4出来的光束经第二薄透镜5准直输出，即可得到特殊部分相干光束。

具体过程为：波长为632nm高斯谢尔模光源1发出光束，经扩束镜2扩束后，可对其光斑大小进行连续性的调节，从扩束镜2的扩束镜的输出面a输出的光束，其交叉谱密度函数表征为：

扩束镜的输出面a到第一薄透镜的输入面b的距离为第一薄透镜3的焦距f1，第一薄透镜的输出面c到振幅衰减片的输入面d的距离为第一薄透镜3的焦距f1，以实现傅里叶变换光学传输。

振幅衰减片4所在的平面为频谱面e，到达振幅衰减片4的振幅衰减片的输入面d的光束，其交叉谱密度函数可以表示为：

其中：v_s＝(v₁+v₂)/2,v_d＝v₁-v₂。v₁,v₂为频谱面任意两个点的矢量位置。

振幅衰减片的输出面f输出的光束的交叉谱密度可以表征为：

从振幅衰减片4出来的光束，最后经第二薄透镜5进行准直输出，振幅衰减片的输出面f与第二薄透镜的输入面g的距离为第二薄透镜5的焦距f2，第二薄透镜的输出面h与特殊部分相干光束的输出面i之间的距离为第二薄透镜5的焦距f2，以实现傅里叶变换光学传输。

其中，f1＝f2＝25cm，特殊部分相干光束的输出面i输出的光束，其交叉谱密度函数可以表示为：

其中，ρ_s＝(ρ₁+ρ₂)/2,ρ_d＝ρ₁-ρ₂,ρ_i≡(ρ_ix,ρ_iy)i＝s,d，并且ρ₁,ρ₂为特殊部分相干光束的输出面i处任意两点的矢量位置。

上述方案除了给出对高斯谢尔模光束的光强和相干度进行调控外，还对所产生的特殊部分相干光束在自由空间传输特性进行研究，以来表征此光束所具有的一些独特的性质。

利用柯林斯传输公式，我们可以计算得到此特殊部分相干光束在自由空间传输:

J_z(ζ_s,ζ_d)＝J_z(ζ_sx,ζ_dx)J_z(ζ_sy,ζ_dy),

其中：

并且：ζ_s＝(ζ₁+ζ₂)/2,ζ_d＝ζ₁-ζ₂,ζ_α≡(ζ_αx,ζ_αy)(α＝s,d),对于ζ₁,ζ₂表征的是光束在自由空间传输距离z后，垂直于传输轴所在的平面上任意两个点的矢量位置。

由于振幅衰减片的厚度很小，因此可以认为，振幅衰减片的输入面d，频谱面e以及振幅衰减片的输出面f为同一平面。

参见图2，如其中的图例所示，是本发明实施方式中振幅衰减片透过率函数分布图，其中图中黑色到白色(色标对应0到1)表示透过率函数从0％到100％(不考虑吸收损耗等)，在这里只画出振幅衰减片局部图(因为是阵列式的，本图已经具备代表意义)，可根据实验要求来确定振幅衰减片大小。

参见图3和图4，如其中的图例所示，分别表示参数a对在特殊部分相干光束的输出面i处光束光强和相干度的同时调制，结果表明：光强和相干度可实现阵列式分布，参数a(振幅衰减片)对光束调控具有明显的效果。

参见图5和图6，如其中的图例所示，分别表示源束腰大小w_s对在特殊部分相干光束的输出面i处光束光强和相干度的调制，结果表明：光束的相干度几乎无影响，但是光强分布可实现从高斯到矩形对称平顶分布，再到4个子光束阵列分布，实现了基本只对光源处光强分布调控。

参见图7和图8，如其中的图例所示，分别表示源相干宽度δ_s对在特殊部分相干光束的输出面i处光束光强和相干度的影响，结果表明：光束的光强几乎无任何影响，但是相干度分布有着明显的区别，实现了只对光源处相干度的调控。

参见图9，如其中的图例所示，表示两个不同源相干宽度δ_s的光束在自由空间不同位置处光强分布图，结果表明：光束光强分布的演变过程深受源相干宽度δ_s的影响，并在远场形成光强阵列的程度不一样。

参见图10，如其中的图例所示，表示两个参数a与源束腰大小w_s在远场对光强分布的影响，结果表明：源束腰大小w_s几乎无影响，而参数a对远场光强分布具有明显的调制效果。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种高斯谢尔模光束的整形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过一扩束镜对高斯谢尔模光束进行扩束，以实现对高斯谢尔模光束的光斑大小的连续性调节；

S2、通过第一薄透镜对扩束后的高斯谢尔模光束进行聚焦；

S3、通过一振幅衰减片对聚焦后的高斯谢尔模光束进行振幅衰减，以实现对高斯谢尔模光束的光强分布的调制；

S4、通过第二薄透镜对振幅衰减后的高斯谢尔模光束进行准直，即得到特殊部分相干光束，

所述扩束镜的输出面与所述第一薄透镜的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，所述第一薄透镜的输出面与所述振幅衰减片的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，以实现傅里叶变换光学传输；

所述振幅衰减片的输出面与所述第二薄透镜的输入面的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，所述第二薄透镜的输出面与特殊部分相干光束的输出面之间的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，以实现傅里叶变换光学传输。

2.根据权利要求1所述的高斯谢尔模光束的整形方法，其特征在于，所述高斯谢尔模光束的交叉谱密度函数表示为：

其中，w_s为束腰大小，δ_s为相干宽度，r₁,r₂为光源处两个任意点的矢量位置。

3.一种高斯谢尔模光束的整形系统，其特征在于：所述高斯谢尔模光束整形系统包括：

扩束镜，所述扩束镜设置在高斯谢尔模光束的输出侧，用于接收高斯谢尔模光束并对其进行扩束，以实现对高斯谢尔模光束的光斑大小的连续性调节；

第一薄透镜，所述第一薄透镜设置在所述扩束镜的输出侧，用于接收扩束后的高斯谢尔模光束将其聚焦；

振幅衰减片，所述振幅衰减片设置在所述第一薄透镜的输出侧，用于接收聚焦后的高斯谢尔模光束并对其进行振幅衰减，以实现对高斯谢尔模光束的光强分布的调制；

第二薄透镜，所述第二薄透镜设置在所述振幅衰减片的输出侧，用于接收振幅衰减后的高斯谢尔模光束进行准直，即可得到特殊部分相干光束；

所述扩束镜的输出面与所述第一薄透镜的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，所述第一薄透镜的输出面与所述振幅衰减片的输入面的距离为所述第一薄透镜的焦距f1，以实现傅里叶变换光学传输；

所述振幅衰减片的输出面与所述第二薄透镜的输入面的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，所述第二薄透镜的输出面与特殊部分相干光束的输出面之间的距离为所述第二薄透镜的焦距f2，以实现傅里叶变换光学传输。