CN106569369A - 一种基于交叉相位调制的贝塞尔光束的获得方法及装置 - Google Patents

一种基于交叉相位调制的贝塞尔光束的获得方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于交叉相位调制的贝塞尔光束的获得方法及装置：步骤1，将调制激光束聚焦于非线性介质中；步骤2，将被调制激光束反向共线入射于同一非线性介质后，使其进入成像装置；步骤3，调节调制激光束的光强直至位于远场的成像装置上出现明显的中心亮斑和同心圆环图样；步骤4，调整聚焦透镜的焦距或非线性介质的位置即得中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束。本发明的方法具有结构简单、操作容易、中心亮斑尺寸可控的优点。

Description

一种基于交叉相位调制的贝塞尔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，具体涉及一种基于交叉相位调制的贝塞尔光束的获得方法及装置。
背景技术
在光学领域中，贝塞尔光束是指横向振幅分布满足贝塞尔函数的光束，其横向光强分布表现为一个中心亮斑和一系列同心圆环。真正的贝塞尔光束不会发生衍射，即在其传播过程中可以保持其横向光强分布，遇到障碍物后也会恢复其横向光强分布。正是因为贝塞尔光束的这种独特的光强分布和传播特性使得其在激光精细加工、光学成像、粒子操控、微缩平板印刷、非线性光学等领域有着非常重要的应用价值。目前，能够实现贝塞尔光束的方法主要是几何光学法、空间光调制法、声子梯度法。然而这些方法均有各自的缺陷，几何光学法的光学畸变较大，且中心亮斑不可调；空间光调制器制作工艺复杂，价格昂贵；声子梯度透镜的结构复杂。
发明内容
针对现有技术产生贝塞尔光束时光学畸变较大且中心亮斑不可调和空间光调制器制作工艺复杂，价格昂贵；声子梯度透镜的结构复杂的问题，本发明的目的在于，提供一种基于交叉相位调制的贝塞尔光束获得方法。
为了实现上述目的，本发明的采用如下技术方案予以实现：
一种基于交叉相位调制的获得贝塞尔光束的装置，包括聚焦透镜、第一半波片和第二半波片，其特征在于，还包括第一偏分光立方体、第二偏分光立方体、非线性介质和成像装置，聚焦透镜、第一半波片、第一偏振分光立方体、非线性介质和第二偏振分光立方体依次设置在同一光路上，成像装置设置在第一偏振分光立方体的正下方，第二半波片设置在第二偏振分光立方体的正上方。
成像装置选自CCD或CMOS器件。
非线性介质选自能够产生Kerr效应的非线性介质；所述能够产生Kerr效应的非线性介质，选自非线性折射率在10-16cm2/W数量级以上的有机物、铅玻璃或原子蒸汽。
一种基于权利要求1所述装置的贝塞尔光束的获得方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，获取一束调制激光束并将其依次入射于聚焦透镜、第一半波片、第一偏分光立方体后聚焦于非线性介质中，标记出调制激光束的腰斑位置；
步骤2，获取另一束被调制激光束，将其入射于第二半波片，经第二偏分光体后入射于步骤1中所述的非线性介质中，再经第一偏分光立方体后进入成像装置；
步骤3，调节调制激光束的光强使得位于远场的成像装置上出现中心亮斑和同心圆环图样；
步骤4，在步骤3上的基础上，调整聚焦透镜的焦距或非线性介质与调制激光束腰斑位置之间的距离，得到中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束。
在步骤3上的基础上，调整聚焦透镜的焦距或非线性介质与调制激光束腰斑位置之间的距离，得到中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束具体包括：将被调制激光束进入非线性介质时的端面为入射端面，被调制激光束出射非线性介质时的端面为出射端面，调整聚焦透镜的焦距或出射端面与调制光束的腰斑位置之间的距离得到中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束。
调制激光束和被调制激光束的波长相等或相差在10×10-4nm以内。
本发明基于交叉相位调制，将一束激光聚焦于非线性吸收介质中，由于Kerr效应，介质的折射率发生了非线性调制，这使得通过其中的另外一束激光束发生了非线性相移，使其在远场的横向强度分布发生了改变，得到由中心亮斑和同心圆组成的贝塞尔光束。本发明的方法实现简单，降低了操作难度，且采用的实验装置简单，也节约了成本；
同时，调整聚焦透镜的焦距或非线性介质与调制激光束腰斑位置之间的距离，得到的贝塞尔光束的中心亮斑尺寸可控。
附图说明
图1是本发明的光路示意图；
图2(a)表示所得贝塞尔光束的光斑图样，图2(b)表示光斑的横向光强分布和贝塞尔函数拟合图；
图3(a)、(b)、(c)分别表示聚焦透镜焦距为500mm,、300mm和150mm时所得的贝塞尔光束的光斑示意图；
其中，1、聚焦透镜；2、第一半波片；3、第一偏振分光立方体；4、非线性介质；5、第二半波片；6、第二偏振分光立方体；7、成像装置；8、调制激光束；9、被调制激光束。
下面结合附图对本发明做进一步描述。
具体实施方式
一种基于交叉相位调制的获得贝塞尔光束的装置，包括聚焦透镜、第一半波片和第二半波片，还包括第一偏分光立方体、第二偏分光立方体、非线性介质和成像装置，所述的聚焦透镜、第一半波片、第一偏振分光立方体、非线性介质和第二偏振分光立方体依次设置在同一光路上，成像装置设置在第一偏振分光立方体的正下方，的第二半波片设置在第二偏振分光立方体的正上方。
其中，成像装置是指能够成像的器件，包括CCD、CMOS器件。
其中，非线性介质是指能够产生Kerr效应的非线性介质；所述能够产生Kerr效应的非线性吸收介质，包括非线性折射率在10-16cm2/W数量级以上的有机物、铅玻璃、原子蒸汽。
一种基于权利要求1所述装置的贝塞尔光束的获得方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，获取一束调制激光束并将其依次入射于聚焦透镜、第一半波片、第一偏分光立方体后聚焦于非线性介质中，标记出调制激光束的腰斑位置；
步骤2，获取另一束被调制激光束，将其入射于第二半波片，经第二偏分光体反射后入射于步骤1中所述的非线性介质中，再经第一偏分光立方体后进入成像装置；根据Kerr效应，得到被调制激光束经过非线性介质后发生的非线性附加相移Δφ(r)，根据菲涅尔-基尔霍夫衍射公式得到被调制激光束在远场的衍射光强分布I；
步骤3，根据步骤2所述的非线性附加相移Δφ(r)，调节调制激光束的光强使得位于远场的成像装置上出现中心亮斑和同心圆环图样；
步骤4，在步骤3上的基础上，根据被调制激光束在远场的衍射光强分布I，调整聚焦透镜的焦距或非线性介质与调制激光束腰斑位置之间的距离，得到中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束。
在步骤3上的基础上，根据被调制激光束在远场的衍射光强分布I，调整聚焦透镜的焦距或非线性介质与调制激光束腰斑位置之间的距离，得到中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束具体是指：将被调制激光束进入非线性介质时的端面为入射端面，被调制激光束出射非线性介质时的端面为出射端面，调整聚焦透镜的焦距或出射端面与调制光束的腰斑位置之间的距离得到中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束。
非线性介质是指能够产生Kerr效应的非线性介质；所述的非线性附加相移Δφ(r)，表示为：
设调制光束经过聚焦透镜聚焦后的腰斑位置设为坐标原点；设被调制光束在非线性介质内的传播方向为z轴；设被调制光束入射非线性介质时的端面为入射端面，出射非线性介质时的端面为出射端面，则z0为入射端面的位置，其中n2为介质的非线性折射率系数，I2(r,z)为调制激光束的光强，k为波矢，r为同心圆环图样的径向坐标，L为非线性介质光路的长度。
能够产生Kerr效应的非线性吸收介质，选自非线性折射率在10-16cm2/W数量级以上的有机物、铅玻璃、原子蒸汽。
其中，被调制光束在远场的衍射光强分布表示为：
式中，D表示非线性介质4出射端面与位于远场的成像装置7之间的直线距离，λ为被调制激光束的波长，R(z0)为被调制激光束在介质入射端面的波前曲率半径，k为波矢，r为同心圆环图样的径向坐标，θ和分别表示远场衍射角和出射端面的角坐标，E(r,z0+L)为被调制光束在出射端面的光电场强度，i为虚数单位。
调制激光束和被调制激光束的波长相等或相差在10×10-4nm以内。
本发明的原理如下：
根据交叉相位调制和Kerr效应的理论，调制光束会使得被调制光束产生非线性附加相移Δφ(r)，表示为：
其中n2为介质的非线性折射率系数，I2(r,z)为调制激光束的光强，k为波矢，r为同心圆环图样的径向坐标，L为非线性介质的长度。设调制光束8经过凸透镜聚焦后的腰斑位置设为坐标原点；设被调制光束在非线性介质内的传播方向为z轴；设被调制光束入射非线性介质时的端面为入射端面，出射非线性介质时的端面为出射端面，则z0为入射端面的位置。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被调制光束9的远场衍射光强分布：
式中，D表示非线性介质出射端面与位于远场的成像装置7之间直线距离，λ为被调制激光束的波长，R(z0)为被调制激光束在介质入射端面的波前曲率半径，k为波矢，r同心圆环图样的径向坐标，θ和分别表示远场衍射角和出射端面的角坐标，E(r,z0+L)为被调制光束在出射端面的光电场强度，i为虚数单位。
将式(1)中的Δφ(r)代入式(2)，即可得到由非线性介质4作用后的被调制激光束在远场的光强分布。
由于被调制激光束的非线性相移Δφ(r)与调制激光束光强I2(r,z)有关，即被调制激光束的远场光强分布与调制激光束光强有关；由公式(2)可知，被调制激光束的远场光强分布还与非线性介质的位置有关。因此，本发明的方法通过调节调制激光束的光强确定得到贝塞尔光束的条件，然后在该条件下通过调整非线性介质4的位置得到中心亮斑尺寸可控的贝塞尔光束。
实施例1：
准备如下测试器件：
激光器2台，连续可调谐的环形钛宝石激光器(Matisse TR)出射光作为调制激光束；外腔式半导体激光器出射光作为被调制激光束。
凸透镜1个，焦距500mm。
半波片2个。
偏振分光立方体2个。
非线性介质，铷(Rb)原子池。
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)激光器发出的调制激光束8利用凸透镜1进行聚焦，得到腰斑大小为172μm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经过第一半波片2和第一偏振分光立方体3后聚焦于非线性介质4中；
步骤2，将外腔式半导体激光器发出的被调制激光束9通过第二半波片5后由第二偏振分光立方体6反射进入非线性介质4，并使其与调制激光束8反向共线；出射后的被调制光束经过第一偏振分光立方体2反射，使其进入成像装置7；
步骤3，旋转第一半波片2调节调制激光束8进入非线性介质的功率直至位于远场的成像装置7上出现中心亮斑和同心圆环的图样，此时功率为10mW。在该条件下，出射的被调制光束即为贝塞尔光束；
步骤4，改变聚焦透镜焦距1的焦距，即得中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束。
如图2所示，本发明的方法能够获得贝塞尔光束。图2(a)表示所得贝塞尔光束的光斑图样，图2(b)表示实验所得光斑的横向光强分布和贝塞尔函数拟合，可见所得光斑和贝塞尔函数符合的很好，证明所得光束为贝塞尔光束。图3(a)-(c)表示聚焦透镜焦距为500mm,300mm,150mm时所得的贝塞尔光束的光斑，其中心亮斑尺寸随着焦距变短而变小，证明通过改变聚焦透镜的焦距可以改变本发明所得贝塞尔光束的中心亮斑尺寸。
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中心亮斑尺寸发生变化的贝塞尔光束的方法均在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种基于交叉相位调制的获得贝塞尔光束的装置，包括聚焦透镜、第一半波片和第二半波片，其特征在于，还包括第一偏分光立方体、第二偏分光立方体、非线性介质和成像装置，所述的聚焦透镜、第一半波片、第一偏振分光立方体、非线性介质和第二偏振分光立方体依次设置在同一光路上，所述的成像装置设置在第一偏振分光立方体的正下方，所述的第二半波片设置在第二偏振分光立方体的正上方。
2.如权利要求1所述的基于交叉相位调制的获得贝塞尔光束的装置，其特征在于，所述成像装置选自CCD或CMOS器件。
3.如权利要求1所述的基于交叉相位调制的获得贝塞尔光束的装置，其特征在于，所述非线性介质是指选自能够产生Kerr效应的非线性介质；所述能够产生Kerr效应的非线性介质，选自非线性折射率在10-16cm2/W数量级以上的有机物、铅玻璃或原子蒸汽。
4.一种基于权利要求1所述装置的贝塞尔光束的获得方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1，获取一束调制激光束并将其依次入射于聚焦透镜、第一半波片、第一偏分光立方体后聚焦于非线性介质中，标记出调制激光束的腰斑位置；
步骤2，获取另一束被调制激光束，将其入射于第二半波片，经第二偏分光体后入射于步骤1中所述的非线性介质中，再经第一偏分光立方体后进入成像装置；
步骤3，调节调制激光束的光强使得位于远场的成像装置上出现中心亮斑和同心圆环图样；
步骤4，在步骤3上的基础上，调整聚焦透镜的焦距或非线性介质与调制激光束腰斑位置之间的距离，得到中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束。
5.如权利要求4所述的基于权利要求1所述装置的贝塞尔光束的获得方法，其特征在于，所述的在步骤3上的基础上，调整聚焦透镜的焦距或非线性介质与调制激光束腰斑位置之间的距离，得到中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束具体包括：将被调制激光束进入非线性介质时的端面为入射端面，被调制激光束出射非线性介质时的端面为出射端面，调整聚焦透镜的焦距或出射端面与调制光束的腰斑位置之间的距离得到中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束。
6.如权利要求4所述的基于权利要求1所述装置的贝塞尔光束的获得方法，其特征在于，所述的调制激光束和被调制激光束的波长相等或相差在10×10-4nm以内。
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