CN106918906A - 基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制方法，包括设计强激光艾里光束调制光路步骤，设计振幅型衍射元件步骤，制作振幅型衍射元件步骤，调节光路步骤。利用双(两个)振幅型衍射元件对强激光进行相位调制，在远处目标光场获得艾里光斑，首先设计强激光艾里光束调制光路，再根据已知的目标光场设计满足设计要求的振幅型衍射元件，制作振幅型衍射元件，调节好包括激光器、透镜组、振幅型衍射元件和扩束镜的光路，让激光器出射激光，最后在目标光场形成聚焦艾里光斑，克服了现有的强激光艾里光束调制技术利用空间光调制器，调制功率低的缺点。

Description

基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制方法及装置

技术领域

本发明涉及强激光艾里光束调制领域，具体地是基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制方法及装置。

背景技术

艾里光束具有自弯曲传输、无衍射、以及自愈等特点，自由加速，指艾里光束在自由空间传输过程中其弯曲传输的轨迹类似于在重力场的作用下物体抛射时产生的自由加速轨迹；无衍射，是指在传播过程中光场强度分布的形状近似保持不变；自愈，指的是艾里光束在自由空间里传播的过程中，若将艾里光束的部分光斑挡住，在经过一段传输距离后，其光强分布的形状会逐渐恢复到被遮挡前的形状。艾里光束这些独特的光学性质，使其在众多领域都具有很大的应用潜力。艾里光束在远场形成艾里光斑。目前现有的强激光艾里光束的调制技术完全依赖调制器件，通常是利用空间光调制器，其具有调制功率低的明显缺点。

发明内容

本发明为克服现有的强激光艾里光束调制技术调制功率低的缺点，利用双振幅型衍射元件对强激光进行相位调制，在远处目标光场获得艾里光斑，提供基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制方法，包括如下步骤，

设计强激光艾里光束调制光路步骤：激光器出射激光经过透镜组扩束后，通过双振幅型衍射元件，再经过扩束镜在目标光场形成聚焦艾里光斑。

设计振幅型衍射元件步骤：根据已知的目标光场设计满足设计要求的振幅型衍射元件；

制作振幅型衍射元件步骤：制作满足设计要求的振幅型衍射元件；

调节光路步骤：根据已设计的强激光艾里光束调制光路，用激光器、透镜组、双振幅型衍射元件和扩束镜调节好光路，并让激光器出射激光经过透镜组扩束后，通过双振幅型衍射元件，再经过扩束镜在目标光场形成聚焦艾里光束。

具体地，所述设计振幅型衍射元件步骤中，根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件，设计原则是激光器出射激光经过透镜组扩束后，再通过双振幅型衍射元件对入射光场进行相位调制转变成艾里光束。

具体地，所述根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件，具体步骤为：

首先根据已知的目标光场数学描述，计算该光场波前传播至振幅型衍射元件平面时的复数光场分布，即振幅型衍射元件平面处的U(x，y)＝O₀(x，y)e^iφ(x，y)，该计算结果可以用离散点的数值表达方式表示；

再者，光场波前从物体传播至振幅型衍射元件平面处这一过程，可用Fresnel衍射积分公式来进行描述：

其中，U_obj(ξ，η)为已知的目标光场的数学描述，z为传播距离；

其次，振幅型衍射元件平面处的相位函数可以采用光线追迹方法获得，其相位函数φ(x，y)，过振幅型衍射元件平面上任意一点K(x，y)的光线KA均可表示成一自由曲面的法线，其中点A为该法线与对应自由曲面的交点，点K的相位可以通过光线追迹表达为光线KA的光程与对应自由曲面轴上参考光线K₀A₀光程导致的相位差为：

其中，λ为波长，opl[·]表示对给定光线的光程(optical length)，opl[·]中的“·”代表KA或者K₀A₀；由于不需要考虑重建波前的振幅部分，该相位函数即完整地描述了振幅型衍射元件的重建波前；但考虑到用来重建波前的入射光束在衍射元件平面上的相位函数部分为：

其实际需要编码的相位函数为这两者之差：

其中J为对应自由曲面中心法线方向一点，其到该自由曲面中心处距离为自由曲面中心点曲率半径，这样，设计出了满足设计要求的振幅型衍射元件，即是确定了该振幅型衍射元件平面处的明暗条纹分布图案；

公式(1)、(01)～(03)中所有的符号物理意义：

O(x，y)，U(x，y)-衍射元件平面处的复数光场描述

U_obj(ξ，η)-已知的目标光场的数学描述，

z-传播距离，

δz-镜面失调所引起的面形变化矢量，

x，y-衍射元件平面处二维直角坐标系

φ(x，y)-位相分布函数

κ(x，y)-过振幅型衍射元件平面上点(x，y)的光线

opl[·]-对给定光线的光程，opl[·]中的“·”代表K₀A₀、KA、JK₀A₀、JKA、JK或JK₀。

具体地，所述满足设计要求的振幅型衍射元件制作步骤为：

首先在熔石英玻璃基底镀制80mm～300mmCr层，然后旋涂300nm～600nm光刻胶，将相应的振幅型衍射元件设计文件转换为激光直写加工文件，并利用激光直写对涂有光刻胶的玻璃基板进行曝光，曝光后通过湿法腐蚀将光刻胶上的明暗条纹分布图案转移到Cr层上，最后将Cr层上的光刻胶除去擦拭干净即得到满足设计要求的振幅型衍射元件。

基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制装置，包括顺次同轴放置的激光器、透镜组、两个振幅型衍射元件和扩束镜，其中振幅型衍射元件和扩束镜不紧靠，两振幅型衍射元件按照各自的正方向依据设计次序依次放置，设计两振幅型衍射元件确定各振幅型衍射元件平面处的明暗条纹分布图案满足艾里光束的调制获得。

具体地，所述设计两振幅型衍射元件确定各振幅型衍射元件平面处的明暗条纹分布图案的设计基于以下原则：

将靠近激光器端的衍射元件命名为第一衍射元件，远离激光器端的衍射元件命名为第二衍射元件；

将艾里光斑作为目标光场，在不考虑第二衍射元件的情况下，依据本发明的艾里光束调制方法中所述根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件的步骤求解第一衍射元件平面处的条纹分布；

以所述根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件的步骤求解结果作为第一衍射元件的初始设计结果，在该设计结果中，考虑振幅型衍射元件实际制造能力，将条纹密度高、条纹曲率过大处的条纹进行修正，得到第一衍射元件修正后的设计结果，针对此修正后的设计结果利用第二衍射元件进行补偿设计，补偿设计方法仍依据本发明的艾里光束调制方法中所述根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件的步骤进行，以保证艾里光束的获得；

基于上述设计原则即可实现第一衍射元件与第二衍射元件的设计，满足艾里光束的调制获得。

优选地，所述扩束镜为透镜。

本发明的基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制方法及装置，克服了现有的强激光艾里光束调制技术利用空间光调制器，调制功率低的缺点，利用双(两个)振幅型衍射元件对强激光进行相位调制，在远处目标光场获得艾里光斑，首先设计强激光艾里光束调制光路，再根据已知的目标光场设计满足设计要求的振幅型衍射元件，制作振幅型衍射元件，调节好包括激光器、透镜组、振幅型衍射元件和扩束镜的光路，让激光器出射激光，最后在目标光场形成聚焦艾里光斑。

附图说明

图1为本发明的方法原理光路示意图暨本发明的装置结构示意图；

图2为振幅型衍射元件平面结构示意图；

图3为本发明的方法流程示意图。

其中，1-激光器，2-透镜组，3-振幅型衍射元件(31-黑条纹表示暗条纹不透光部分，32-白条纹表示明条纹透光部分)，3a-第一衍射元件，3b-第二衍射元件，4-扩束镜(傅里叶变换透镜)。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述：

如图3所示，基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制方法，包括如下步骤，

如图1所示的原理光路示意图，设计强激光艾里光束调制光路步骤：激光器出射激光经过透镜组扩束后，通过双振幅型衍射元件即两个振幅型衍射元件，两者间距通常在一米以内，再经过扩束镜在远场的目标光场形成聚焦艾里光斑；

设计振幅型衍射元件步骤：根据已知的目标光场设计满足设计要求的振幅型衍射元件，设计原则是激光器出射激光经过透镜组扩束后，再通过双振幅型衍射元件对入射光场进行相位调制转变成艾里光束；

具体地，所述设计振幅型衍射元件步骤中，根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件，具体步骤为：

首先根据已知的目标光场数学描述，计算该光场波前传播至振幅型衍射元件平面时的复数光场分布，即振幅型衍射元件平面处(本实施例中该平面定义为oxy平面，平面处的点为(x，y)点)的U(x，y)＝O₀(x，y)e^iφ(x，y)，该计算结果可以用离散点的数值表达方式表示；

再者，光场波前从物体传播至振幅型衍射元件平面处这一过程，可用Fresnel衍射积分公式来进行描述：

其中，U_obj(ξ，αη)已知的目标光场的数学描述，z为传播距离；

其次，振幅型衍射元件平面处的相位函数可以采用光线追迹方法获得，其相位函数φ(x，y)，过振幅型衍射元件平面上任意一点K(x，y)的光线KA均可表示成一自由曲面的法线，其中点A为该法线与对应自由曲面的交点，点K的相位可以通过光线追迹表达为光线KA的光程与对应自由曲面轴上参考光线K₀A₀光程导致的相位差为：

其中，λ为波长，opl[·]表示对给定光线的光程(optical length)，opl[·]中的“·”代表KA或者K₀A₀；由于不需要考虑重建波前的振幅部分，该相位函数即完整地描述了振幅型衍射元件的重建波前；但考虑到用来重建波前的入射光束在衍射元件平面上的相位函数部分为：

其实际需要编码的相位函数为这两者之差：

其中J为对应自由曲面中心法线方向一点，其到该自由曲面中心处距离为自由曲面中心点曲率半径，这样，设计出了满足设计要求的振幅型衍射元件，即是确定了该振幅型衍射元件平面处的明暗条纹分布图案；

公式(1)、(01)～(03)中所有的符号物理意义：

O(x，y)，U(x，y)-衍射元件平面处的复数光场描述

U_obj(ξ，η)-已知的目标光场的数学描述，

z-传播距离，

δ_z-镜面失调所引起的面形变化矢量，

x，y-衍射元件平面处二维直角坐标系

φ(x，y)-位相分布函数

κ(x，y)-过振幅型衍射元件平面上点(x，y)的光线

opl[·]-对给定光线的光程，opl[·]中的“·”代表K₀A₀、KA、JK₀A₀、JKA、JK或JK₀。

制作满足设计要求的振幅型衍射元件，步骤为：

首先在熔石英玻璃基底镀制80mm～300mmCr层，本实施例中为150mm，然后旋涂300nm～600nm光刻胶，本实施例中为400mm，将相应的振幅型衍射元件设计文件转换为激光直写加工文件，文件内含振幅型衍射元件平面处的明暗条纹分布图案信息，并利用激光直写对涂有光刻胶的玻璃基板进行曝光，曝光后通过湿法腐蚀将光刻胶上的明暗条纹分布图案转移到Cr层上，图案中黑条纹表示暗条纹不透光部分，白条纹表示明条纹透光部分，最后将Cr层上的光刻胶除去擦拭干净即得到满足设计要求的振幅型衍射元件，如图2所示。

调节光路步骤：根据已设计的强激光艾里光束调制光路，用激光器、透镜组、设计制作好的双(两个)振幅型衍射元件和扩束镜调节好光路，并让激光器出射激光经过透镜组扩束后，通过双振幅型衍射元件，再经过扩束镜在目标光场形成聚焦艾里光斑。

基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制装置，包括顺次同轴放置的激光器、两个透镜组成的透镜组、两个振幅型衍射元件和扩束镜，本实施例中扩束镜为傅里叶变换透镜，起到傅里叶变换的作用，集聚艾里光束获得艾里光斑，其中振幅型衍射元件和扩束镜不紧靠，两振幅型衍射元件按照各自的正方向依据设计次序依次放置，设计两振幅型衍射元件确定各振幅型衍射元件平面处的明暗条纹分布图案满足艾里光束的调制获得。

所述设计两振幅型衍射元件确定各振幅型衍射元件平面处的明暗条纹分布图案的设计基于以下原则：

将靠近激光器端的衍射元件命名为第一衍射元件，远离激光器端的衍射元件命名为第二衍射元件，如图1所示；

将艾里光斑作为目标光场，在不考虑第二衍射元件的情况下，依据本发明的艾里光束调制方法中所述根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件的步骤求解第一衍射元件平面处的条纹分布；

以所述根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件的步骤求解结果作为第一衍射元件的初始设计结果，在该设计结果中，考虑振幅型衍射元件实际制造能力，将条纹密度高，通常条纹密度超过200lp/mm，条纹曲率过大，通常条纹斜率超过30°，这样的条纹进行修正，得到第一衍射元件修正后的设计结果，针对此修正后的设计结果利用第二衍射元件进行补偿设计，补偿设计方法仍依据本发明的艾里光束调制方法中所述根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件的步骤进行，以保证艾里光束的获得；

基于上述设计原则即可实现第一衍射元件与第二衍射元件的设计，满足艾里光束的调制获得。

Claims (7)

1.基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制方法，包括如下步骤，

设计强激光艾里光束调制光路步骤：激光器出射激光经过透镜组扩束后，通过双振幅型衍射元件，再经过扩束镜在目标光场形成聚焦艾里光斑；

设计振幅型衍射元件步骤：根据已知的目标光场设计满足设计要求的振幅型衍射元件；

制作振幅型衍射元件步骤：制作满足设计要求的振幅型衍射元件；

调节光路步骤：根据已设计的强激光艾里光束调制光路，用激光器、透镜组、双振幅型衍射元件和扩束镜调节好光路，并让激光器出射激光经过透镜组扩束后，通过双振幅型衍射元件，再经过扩束镜在目标光场形成聚焦艾里光斑。

2.根据权利要求1的基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制方法，所述设计振幅型衍射元件步骤中，根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件，设计原则是激光器出射激光经过透镜组扩束后，再通过双振幅型衍射元件对入射光场进行相位调制转变成艾里光束。

3.根据权利要求2的基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制方法，所述根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件，具体步骤为：

首先根据已知的目标光场数学描述，计算该光场波前传播至振幅型衍射元件平面时的复数光场分布，即振幅型衍射元件平面处的U(x，y)＝O₀(x，y)e^iφ(x，y)，该计算结果可以用离散点的数值表达方式表示；

再者，光场波前从物体传播至振幅型衍射元件平面处这一过程，可用Fresnel衍射积分公式来进行描述：

$\begin{array}{c}O(x,y)=U(x,y)\\ =e^{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}z}(x^2+y^2)}\∫\∫U_{obj}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})e^{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}z}({\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2)}\exp \[-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}z}(x\mathrm{\ξ}+y\mathrm{\η})\]d\mathrm{\ξ}d\mathrm{\η}\end{array}---\left(1\right)$

其中，U_obj(ξ，η)为已知的目标光场的数学描述，z为传播距离；

其次，振幅型衍射元件平面处的相位函数可以采用光线追迹方法获得，其相位函数φ(x，y)，过振幅型衍射元件平面上任意一点K(x，y)的光线KA均可表示成一自由曲面的法线，其中点A为该法线与对应自由曲面的交点，点K的相位可以通过光线追迹表达为光线KA的光程与对应自由曲面轴上参考光线K₀A₀光程导致的相位差为：

$\mathrm{\φ}(x,y)=\mathrm{\φ}\left(K\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(opl\[K_0{A}_0\]-opl\[KA\])---(0-1)$

其中，λ为波长，opl[·]表示对给定光线的光程(optical length)，opl[·]中的“·”代表KA或者K₀A₀；由于不需要考虑重建波前的振幅部分，该相位函数即完整地描述了振幅型衍射元件的重建波前；但考虑到用来重建波前的入射光束在衍射元件平面上的相位函数部分为：

其实际需要编码的相位函数为这两者之差：

其中J为对应自由曲面中心法线方向一点，其到该自由曲面中心处距离为自由曲面中心点曲率半径，这样，设计出了满足设计要求的振幅型衍射元件，即是确定了该振幅型衍射元件平面处的明暗条纹分布图案；

公式(1)、(01)～(03)中所有的符号物理意义：

O(x，y)，U(x，y)-衍射元件平面处的复数光场描述

U_obj(ξ，η)-已知的目标光场的数学描述，

z-传播距离，

δ_Z-镜面失调所引起的面形变化矢量，

x，y-衍射元件平面处二维直角坐标系

φ(x，y)-位相分布函数

κ(x，y)-过振幅型衍射元件平面上点(x，y)的光线

opl[·]-对给定光线的光程，opl[·]中的“·”代表KA、K₀A₀、J^KA、J^K或

4.根据权利要求3的基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制方法，所述满足设计要求的振幅型衍射元件制作步骤为：

首先在熔石英玻璃基底镀制80mm～300mmCr层，然后旋涂300nm～600nm光刻胶，将相应的振幅型衍射元件设计文件转换为激光直写加工文件，并利用激光直写对涂有光刻胶的玻璃基板进行曝光，曝光后通过湿法腐蚀将光刻胶上的明暗条纹分布图案转移到Cr层上，最后将Cr层上的光刻胶除去擦拭干净即得到满足设计要求的振幅型衍射元件。

5.基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制装置，其特征在于包括顺次同轴放置的激光器、透镜组、两个振幅型衍射元件和扩束镜，其中振幅型衍射元件和扩束镜不紧靠，两振幅型衍射元件按照各自的正方向依据设计次序依次放置，设计两振幅型衍射元件确定各振幅型衍射元件平面处的明暗条纹分布图案满足艾里光束的调制获得。

6.根据权利要求5的基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制装置，其特征在于所述设计两振幅型衍射元件确定各振幅型衍射元件平面处的明暗条纹分布图案的设计基于以下原则：

将靠近激光器端的衍射元件命名为第一衍射元件，远离激光器端的衍射元件命名为第二衍射元件；

将艾里光斑作为目标光场，在不考虑第二衍射元件的情况下，依据本发明的艾里光束调制方法中所述根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件的步骤求解第一衍射元件平面处的条纹分布；

以所述根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件的步骤求解结果作为第一衍射元件的初始设计结果，在该设计结果中，考虑振幅型衍射元件实际制造能力，将条纹密度高、条纹曲率过大处条纹进行修正，得到第一衍射元件修正后的设计结果，针对此修正后的设计结果利用第二衍射元件进行补偿设计，补偿设计方法仍依据本发明的艾里光束调制方法中所述根据已知的目标光场设计振幅型衍射元件的步骤进行，以保证艾里光束的获得；

基于上述设计原则即可实现第一衍射元件与第二衍射元件的设计，满足艾里光束的调制获得。

7.基于双振幅型衍射元件的强激光艾里光束调制装置，其特征在于所述扩束镜为透镜。