CN108319029A - 振幅调制产生马丢光束的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了振幅调制产生马丢光束的方法。在Durnin装置产生贝塞尔光束的基础上，通过构建扩展Durnin装置产生马丢光束。根据角向马丢函数的定义，在圆环上构造具有角向马丢分布函数的振幅图，把该振幅图加载到振幅型空间光调制器上。将振幅型空间光调制器放置于傅里叶变换透镜的前焦面，振幅调制后的光束通过傅里叶变换透镜做傅里叶变换，在透镜的后焦面精确形成马丢光束。马丢光束的精确产生，能在微观粒子的操纵、量子光学、非线性光学、光与物质的相互作用等研究领域更好的发挥作用。与其他产生马丢光束的方法相比，本发明提供的实验装置简单，可以精确地产生马丢光束。

Description

振幅调制产生马丢光束的方法

技术领域

本发明涉及光束的产生、调控及变换技术，是一种利用振幅调制元件和光学傅里叶变换元件精确产生各类马丢光束的方法。

背景技术

衍射是光波的基本传输现象。就光的本性而言，衍射的存在使得光束在传输过程中不可避免的空间扩展，同时光束形态也发生变化。但在很多科学研究领域，包括强场物理、空间通讯、生物光学、原子光学、以及光谱学等领域，特别需要一种可在自由空间长距离稳定传输的无衍射光束。1987年，在自由空间产生的第一种具有实用价值的无衍射光束是零阶贝塞尔(Bessel)光束，它能在很长的传输距离内保持强度分布不变。零阶贝赛尔光束产生后，曾被应用到很多领域。但零阶贝塞尔光束只有一种中心对称的光学形态，在实际的科学研究和生产应用中，人们需要不同光学形态和传输特性的无衍射光束，以满足不同的实验要求。

通过光束调制，可以实现光斑分布及其光束拓扑特性的多样化。2000年，通过在椭圆柱坐标下求解波动方程，人们找到了另外一种新的传输不变解——马丢函数解[Opt.Lett.，2000，25(20)：1493]。这表明在椭圆柱坐标系下，满足马丢函数分布的光束，也是一种无衍射光束。相对于只有一个光束自由度(径向自由度)的贝塞尔光束，有两个光束自由度(径向自由度和角向自由度)的无衍射马丢光束，有更为丰富的光学形态。形态丰富的马丢光束的构建和产生，可以在科学实验中发挥新的作用。

在贝塞尔光束理论被提出后不久，Durnin通过实验产生了这种无衍射的贝塞尔光束[Phys.Rev.Lett.，1987，58(15)：1499]。利用Durnin装置，将平行光束入射到均匀细圆环后，再经傅里叶变换透镜聚焦即可产生贝塞尔光束。不同于贝塞尔光束的产生，马丢光束的产生要困难的多，这是因为我们很难在圆环上构造具有角向马丢函数的角谱分布。过去有学者利用近似一维高斯光束调制圆环，近似产生了马丢光束[Opt.Commun.，2001，195：35]。事实上，激光束常见的分布是二维高斯函数，一维高斯光束也不容易获得。

鉴于马丢光束产生的复杂性，过去研究者只能近似产生马丢光束。在实际的使用中，唯有精确产生马丢光束，才能在实际的科学研究中更好的发挥无衍射马丢光束的作用。

发明内容

本发明提供了一种精确的产生马丢光束的方法。通过角向马丢分布函数，在圆环上精确计算具有角向马丢分布函数的振幅图(计算公式见Opt.Commun.，2001，195：35)，利用振幅型空间光调制器作为调制元件，加载环状角向马丢函数振幅分布图，入射光经圆环振幅调制后，再通过傅里叶变换，在傅里叶变换透镜的后焦面精确产生各类马丢光束。

与过去产生马丢光束的方法相比，本发明可以方便、精确地产生马丢光束。另外，马丢光束作为一种形态更为丰富的无衍射光束，它的精确产生，可以在微观粒子的操纵、量子光学、非线性光学、光与物质的相互作用等研究领域更好的发挥作用。

附图说明

图1为本发明通过构建扩展Durnin装置精准产生马丢光束的示意图

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明通过构建扩展Durnin装置产生无衍射马丢光束的实验装置图，实验装置包括：激光束(1)、扩束准直系统(2、3)、振幅分布图(4)、振幅型空间光调制器(5)、傅里叶变换透镜(6)、科学CCD相机(7)。

实验实施过程如下：

1、通过角向马丢函数计算，得到具有角向马丢函数的振幅分布图(4)。

2、激光束(1)经过扩束准直系统(2、3组成)对光束进行扩束准直后，入射至加载振幅分布图(4)的振幅型空间光调制器(5)。

3、振幅型空间光调制器(5)放置在傅里叶变换透镜(6)的前焦面上，调制入射激光束的波前分布。

4、振幅调制后的光束经傅里叶变换透镜(6)傅里叶变换后，在透镜(6)的焦平面后用科学CCD相机(7)记录马丢光束。

5、利用角向马丢函数计算公式，通过计算不同类型、不同阶次、不同椭圆系数的环缝角向马丢函数振幅分布，得到不同的振幅分布图(4)。通过加装不同的振幅分布图(4)，可产生不同类型、不同阶次、不同椭圆系数的任意马丢光束。

Claims (3)

1.振幅调制产生马丢光束的方法，其特征在于：通过在圆环上构造具有角向马丢函数分布的振幅图，把该振幅图加载到振幅型空间光调制器上，再将振幅型空间光调制器放置于傅里叶变换透镜的前焦面，通过傅里叶变换透镜对振幅调制后的光束做傅里叶变换，在透镜的后焦面精确形成马丢光束。

2.根据权利要求1所述的振幅调制产生马丢光束的方法，利用在圆环上构建精确的角向马丢函数分布，光束经圆环振幅调制并经傅里叶变换后产生马丢光束的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)、根据角向马丢函数的定义，计算得到具有圆环角向马丢函数的振幅分布图；

(2)、激光束扩束准直后，入射至加载了圆环角向马丢函数振幅分布图的振幅型空间光调制器；

(3)、振幅型空间光调制器调制入射激光束的振幅分布；

(4)、振幅调制后的光束经傅里叶变换透镜做傅里叶变换后，在透镜的焦平面后，用科学CCD相机记录马丢光束。

3.根据权利要求2所述的振幅调制产生马丢光束的方法，其特征在于该方法可以通过改变角向马丢函数的振幅分布图，产生不同阶次、不同椭圆系数的四类马丢光束，这四类马丢光束分别是第一类偶阶马丢光束，第二类偶阶马丢光束，第一类奇阶马丢光束，第二类奇阶马丢光束。