CN108549164A - 沿自由轨迹传输的光束生成方法和系统 - Google Patents

沿自由轨迹传输的光束生成方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种沿自由轨迹传输的光束生成方法和系统，步骤包括：生成高斯光束，将高斯光束传输至空间光调制器；于空间光调制器加载预定的目标相位；通过空间光调制器依据目标相位对高斯光束进行直接相位调制，得到调制后沿自由轨迹传输的光束。沿自由轨迹传输的光束生成系统包括：高斯光发射单元和空间光调制器，高斯光发射单元发射高斯光，空间光调制器位于高斯光的传输光路上，空间光调制器加载有预定的目标相位，目标相位对高斯光束进行直接相位调制，得到调制后沿自由轨迹传输的光束。该方法具有高效、灵活的优点，而且该光束也具有无衍射、自愈等奇异特性，光束在自由空间中沿自由轨迹传输的实现，极大地满足人们对自由操纵光束的渴望。

Description

沿自由轨迹传输的光束生成方法和系统
技术领域
本发明涉及光学技术及光场调控领域，特别是涉及一种沿自由轨迹传输的光束生成方法和系统。
背景技术
近年来，艾里光束引起研究人员广泛关注。它打破了人们对光在平直时空中沿直线传播的固有认识，即该光束能在无外场的情况下在自由空间沿弯曲轨迹传输。艾里光束是最早发现的自加速光束，具有无衍射、自愈、自加速(自弯曲)等奇异特性，使得其在众多领域有着独特的应用价值和前景，如微粒操纵、时空光子弹、自会聚光束、弯曲等离子体、超分辨成像等领域。譬如在军事领域，可形成无衍射无损耗的光子弹沿弯曲轨迹打击掩体后面的目标；在生物医学领域，可以形成光束“镊子”绕过障碍物将细胞体或药物粒子等输送到指定区域。因此，操纵光波按预定的轨迹传输具有极大的应用价值，是科学家一直的追求梦想。
然而，自加速艾里光束传输轨迹缺乏灵活性，总是沿单一的抛物曲线传输，无法实现按照任意自定义的轨迹自由传输，极大地限制了其应用范围。
发明内容
基于此，有必要针对光束轨迹操纵技术局限的问题，提供一种沿自由轨迹传输的光束生成方法和系统。
一种沿自由轨迹传输的光束生成方法，包括步骤：
生成高斯光束，并将所述高斯光束传输至空间光调制器；
于所述空间光调制器加载预定的目标相位；
通过所述空间光调制器依据所述目标相位对所述高斯光束进行直接相位调制，得到调制后沿自由轨迹传输的光束。
在其中一个实施例中，所述目标相位通过相位叠加原理进行相位叠加得到。
在其中一个实施例中，所述目标相位满足函数：
其中，x，z分别代表横向、纵向坐标，λ为工作波长，代表最终的目标相位，代表第i段曲线xi＝fi(z)所对应的相位。
在其中一个实施例中，还包括步骤：接收调制后的所述沿自由轨迹传输的光束进行图像放大显示。
在其中一个实施例中，所述空间光调制器为反射式光调制器，调制后的所述沿自由轨迹传输的光束经反射后进行图像放大显示。
在其中一个实施例中，还包括步骤：对生成的高斯光束进行准直和扩束后传输至所述空间光调制器。
一种沿自由轨迹传输的光束生成系统，包括：
高斯光发射单元，用于发射高斯光；
空间光调制器，位于高斯光的传输光路上，所述空间光调制器加载有预定的目标相位，依据所述目标相位对所述高斯光束进行直接相位调制，得到调制后沿自由轨迹传输的光束。
在其中一个实施例中，所述空间光调制器为反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器用于将经所述空间光调制器进行相位调制后的光束反射并进行图像放大显示。
在其中一个实施例中，还包括分束器，位于所述高斯光发射单元和所述空间光调制器之间，用于将所述高斯光束传输至空间光调制器，并改变经所述空间光调制器反射后光束的传输光路，进而实现图像放大显示。
在其中一个实施例中，还包括准直扩束镜，所述准直扩束镜位于所述高斯光发射单元和所述分束器之间，用于接收所述高斯光束并进行高斯光束准直扩束。
上述一种沿自由轨迹传输的光束生成方法和系统，步骤包括：生成高斯光束，将所述高斯光束传输至空间光调制器；于空间光调制器加载预定的目标相位；通过空间光调制器依据目标相位对所述高斯光束进行直接相位调制，得到调制后沿自由轨迹传输的光束。沿自由轨迹传输的光束生成系统包括：高斯光发射单元和空间光调制器，高斯光发射单元发射高斯光，空间光调制器，位于高斯光的传输光路上，空间光调制器加载有预定的目标相位，依据所述目标相位对所述高斯光束进行直接相位调制，得到调制后沿自由轨迹传输的光束。该方法具有高效、灵活的优点，而且该光束也具有无衍射、自愈等奇异特性，另外，在自由空间中沿自由轨迹传输的实现，将极大地满足人们对自由操纵光束的渴望。
附图说明
图1为本发明实施例中沿自由轨迹传输的光束生成方法流程图；
图2为本发明实施例中沿自由轨迹传输的光束生成系统装置示意图；
图3为本发明实施例中沿正弦轨迹传输的光束所需的目标相位图；
图4为本发明实施例中沿正弦轨迹传输的光束曲线图；
图5为本发明实施例中沿多段曲线轨迹传输的光束所需的目标相位图；
图6为本发明实施例中沿多段曲线轨迹传输的光束曲线图。
具体实施方式
一种沿自由轨迹传输的光束生成方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S100：生成高斯光束，并对生成的高斯光束进行准直和扩束；
生成高斯光束，并对生成的高斯光束进行准直和扩束，由如图2所示的高斯光发射单元110和准直扩束镜120实现，在本实施例中，所述高斯光发射单元110为激光器，所述激光器用于发射高斯光束。所述准直扩束镜120接收所述激光器发射的高斯光束并进行高斯光束准直并将高斯光束进行扩束。在本实施例中，所述激光器为氦氖激光器，波长为632.8nm，所述准直扩束镜120焦距300mm，通光口径50mm。所述氦氖激光器发射的高斯激光束经过准直扩束镜120扩束，光束充满整个通光孔径。
步骤S200：准直扩束后的高斯光束传输至空间光调制器。
如图2所示，所述准直扩束后的高斯光束经分束器130传输至所述空间光调制器140。所述分束器130用于接收所述高斯光发射单元110传输的高斯光束，并将高斯光束进行分束。在本实施例中，如图2所示，所述分束器130为分束棱镜，所述分束棱镜尺寸为25*25mm，保证接收所述高斯光发射单元110发射的平行高斯光束。
步骤S300：于所述空间光调制器加载预定的目标相位。
如图2所示，所述空间光调制器140与所述计算机150连接，所述计算机150控制空间光调制器140并为所述空间光调制器140加载目标相位。在本实施例中，所述目标相位通过相位叠加原理进行相位叠加得到。
为了实现沿任意弯曲曲线传输，可以将任意复杂轨迹曲线在其拐点处分解为n段曲线，每段曲线只沿一个方向弯曲的曲线组合，计算机150利用衍射突变理论，结合局域空间频率和相位叠加原理，构建光束传输轨迹与相位之间的数学模型：
其中，x，z分别代表横向、纵向坐标，λ为工作波长，代表最终的目标相位，代表第i段曲线xi＝fi(z)所对应的相位。
光束传输轨迹与相位之间的数学模型的建立，通过计算机150将相应目标相位加载在空间光调制器140上。
步骤S400：通过所述空间光调制器依据所述目标相位对所述高斯光束进行直接相位调制，得到调制后的沿自由轨迹传输的光束。
通过加载该目标相位在空间光调制器上，从而产生沿自由轨迹传输的光束，该光束可以表示为Φ：
其中，代表高斯光束，ω0为高斯激光束的束腰半径。
步骤S500：接收调制后的所述沿自由轨迹传输的光束进行图像放大显示。
如图2所示，所述空间光调制器140为反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器用于将经所述空间光调制器140进行相位调制后的光束反射并传输至所述图像传感器160。所述反射式空间光调制器140像素大小为8um，分辨率为1920*1080，工作波段为360-700nm。
所述图像传感器160，用于对自由传输的光束的接收。在本实施例中，所述图像传感器160为CCD(电荷藕合器件图像传感器)，所述CCD分辨率为1920*1080。当然根据设计需要，所述图像传感器160不限于CCD，可以为CMOS(互补金属氧化物半导体)，只要能够达到图像接收即可。
在本实施例中，利用衍射突变理论建立相位与传输轨迹的数学模型，并通过计算机150生成相应的相位图形，并将该相位直接加载在空间光调制器140上，即可以直接生成在自由空间中沿任意轨迹传输的光束。当改变相位时其传输轨迹可以很灵活的改变，从而实现利用光力效应沿任意预定义轨迹操纵粒子。该方法与利用特殊人工结构材料调控光束传输轨迹相比，具有高效、灵活的优点，而且该光束也具有无衍射、自愈等奇异特性。另外，光在自由空间中沿自由轨迹传输的实现，极大地满足人们对自由操纵光束的渴望，在日益发展的光学微操纵、超分辨成像、军事、超精细加工等方面都具有良好的应用前景。
一种沿自由轨迹传输的光束生成系统，如图2所示，包括：高斯光发射单元110、准直扩束镜120、分束器130、空间光调制器140、计算机150以及图像传感器160。所述高斯光发射单元110用于发射高斯光，所述准直扩束镜120位于所述高斯光发射单元110和所述分束器130之间，用于接收所述高斯光束并进行高斯光束准直扩束。所述分束器130位于所述高斯光发射单元110和所述空间光调制器140之间，用于将所述高斯光束传输至空间光调制器140，并改变经所述空间光调制器140反射后光束的传输光路，进而实现图像放大显示。所述空间光调制器140、图像传感器160分别与所述计算机150连接。所述计算机150用于实现对所述空间光调制器140目标相位加载，及对所述图像传感器数据的接收显示，所述空间光调制器140位于高斯光的传输光路上，所述空间光调制器140加载有预定的目标相位，依据所述目标相位对所述高斯光束进行调制，得到调制后沿自由轨迹传输的光束。
在本实施例中，所述空间光调制器140为反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器用于将经所述空间光调制器140进行相位调制后的光束反射并进行图像放大显示。所述高斯光发射单元110为激光器，所述激光器发射高斯光束，经准直扩束镜120准直扩束后传输至所述分束器130上，经准直扩束后的高斯光束经所述分束器130透射传输至所述反射式空间光调制器上，所述反射式空间光调制器事先由所述计算机150加载了目标相位图形，进而所述反射式空间光调制器对所述透射的高斯光束进行直接相位调制，进而得到沿自由轨迹传输的光束，所述沿自由轨迹传输的光束经所述反射式空间光调制器反射，传输至所述分束器130上，由所述分束器130反射传输至所述图像传感器160，所述图像传感器160将接收到的图像传输至所述计算机150，进而所述计算机150显示图像。
如图4所示，当预设光束沿正弦曲线x＝3sin(z+1)传输时，产生光束所需的理想目标相位图可以根据公式：
得到，如图3所示。其中，x，z分别代表横向、纵向坐标，λ为工作波长，代表最终的目标相位，代表第i段曲线xi＝fi(z)所对应的相位。
如图4所示，当预设光束沿正弦曲线传输时，向所述空间光调制器加载相对应的目标相位，进而得到沿正弦轨迹传输的光束曲线图。
如图6所示，当预设光束沿多曲线轨迹传输时，产生该光束所需的目标相位图如图5所示。
在本实施例中，根据将任意复杂轨迹曲线在其拐点处分解为n段，每段曲线沿一个方向弯曲，本实施例的预设曲线为对数函数曲线和抛物线函数曲线的组合x＝5×10-6z2+2ln(0.015z)。
如图6所示，当预设光束沿对数函数曲线和抛物线函数曲线的组合曲线轨迹传输时，向所述空间光调制器加载相对应的目标相位图5，进而得到沿预定义轨迹传输的光束曲线图。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种沿自由轨迹传输的光束生成方法，其特征在于，包括步骤：
生成高斯光束，并将所述高斯光束传输至空间光调制器；
于所述空间光调制器加载预定的目标相位；
通过所述空间光调制器依据所述目标相位对所述高斯光束进行直接相位调制，得到调制后沿自由轨迹传输的光束。
2.根据权利要求1所述沿自由轨迹传输的光束生成方法，其特征在于，所述目标相位通过相位叠加原理进行相位叠加得到。
3.根据权利要求2所述沿自由轨迹传输的光束生成方法，其特征在于，所述目标相位满足函数：
其中，x，z分别代表横向、纵向坐标，λ为工作波长，代表最终的目标相位，代表第i段曲线xi＝fi(z)所对应的相位。
4.根据权利要求1所述沿自由轨迹传输的光束生成方法，其特征在于，还包括步骤：接收调制后的所述沿自由轨迹传输的光束进行图像放大显示。
5.根据权利要求4所述沿自由轨迹传输的光束生成方法，其特征在于，所述空间光调制器为反射式光调制器，调制后的所述沿自由轨迹传输的光束经反射后进行图像放大显示。
6.根据权利要求1所述沿自由轨迹传输的光束生成方法，其特征在于，还包括步骤：对生成的高斯光束进行准直和扩束后传输至所述空间光调制器。
7.一种沿自由轨迹传输的光束生成系统，其特征在于，包括：
高斯光发射单元，用于发射高斯光；
空间光调制器，位于高斯光的传输光路上，所述空间光调制器加载有预定的目标相位，依据所述目标相位对所述高斯光束进行直接相位调制，得到调制后沿自由轨迹传输的光束。
8.根据权利要求7所述沿自由轨迹传输的光束生成系统，其特征在于，所述空间光调制器为反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器用于将经所述空间光调制器进行相位调制后的光束反射并进行图像放大显示。
9.根据权利要求8所述沿自由轨迹传输的光束生成系统，其特征在于，还包括分束器，位于所述高斯光发射单元和所述空间光调制器之间，用于将所述高斯光束传输至空间光调制器，并改变经所述空间光调制器反射后光束的传输光路，进而实现图像放大显示。
10.根据权利要求8所述沿自由轨迹传输的光束生成系统，其特征在于，还包括准直扩束镜，所述准直扩束镜位于所述高斯光发射单元和所述分束器之间，用于接收所述高斯光束并进行高斯光束准直扩束。
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