CN108594444B - 基于胶片振幅调制和锥镜相位调制产生Mathieu光束的方法 - Google Patents
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Abstract
基于胶片振幅调制和锥镜相位调制产生Mathieu光束的方法,是一种精确、高效地产生一簇无衍射Mathieu光束的方法。该方法基于角向Mathieu函数的定义,首先构造具有角向Mathieu函数分布的振幅分布灰度图,再将灰度图颜色黑白反转,用胶片输出仪打印在高分辨率胶片上,打印好的胶片经曝光处理后,得到具有角向Mathieu函数分布的振幅调制胶片。将制作的胶片紧贴锥镜入瞳面放置,入射的平行光束经胶片调制振幅、锥镜调制相位后,在锥镜后产生Mathieu光束。本发明实验装置结构简单,可以方便、精确地产生Mathieu光束。
Description
技术领域
本发明涉及结构光束的产生、调控及变换技术,是一种利用胶片和锥镜精确产生Mathieu光束的方法。
背景技术
很多科学实验,比如光与物质相互作用,需要形态稳定不变的光束。但衍射是最普遍的光学现象。光束传输过程中的衍射效应,导致光束展宽及形变。为克服光波的衍射,近年来引入和产生的无衍射结构光束,是构建传输不变光束的一种重要手段。无衍射结构光束是波动方程的特解,这类光束的一个共同特点是,光束分布与传输距离无关。因此无衍射结构光束能在光与物质相互作用的许多研究方面,发挥着特殊的作用。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Bessel光束。
在实际的科学研究中,不同类型的科学实验需要不同光学形态的无衍射光束。通过激光调制技术,实现光束分布及其光束拓扑特性的多样化,是激光技术的一个重要研究方向。2000年,在椭圆柱坐标下,通过求解波动方程,人们找到了一种新的传输不变解——Mathieu函数解[Opt.Lett.25(20),1493(2000)]。这表明,满足Mathieu函数分布的光束,也是一种无衍射光束。相对于Bessel光束,Mathieu光束的光学形态更为丰富(事实上,Bessel光束只是Mathieu光束的一个特例),但实验产生也复杂的多。
在无衍射Mathieu光束的产生方面,Marcelino Anguiano-Morales等利用锥镜和有一定张角的透明扇形相结合,产生了光学形态接近Mathieu函数的近似Mathieu光束[Opt.Commun.281,401(2008)]。但近似Mathieu光束,并不具有理想的无衍射传输特性。
在实际的使用中,唯有精确产生Mathieu光束,才能将其更好地用于实际的科学研究。利用Durnin装置,可以精确地产生Mathieu光束,见引文[Opt.Commun.222,75(2003)]和[光学学报,37(2):0205002(2017)]。但因为Durnin装置只能利用透射圆环部分的少量光能量产生Mathieu光束,对光能的利用率较低。
发明内容
本发明提供了一种高效、精确产生Mathieu光束的方法。通过具有角向Mathieu函数振幅分布的胶片作为振幅调制元件,合并锥镜的相位调制特性产生Mathieu光束。
本发明利用胶片输出仪(型号:Propalette 8000)制作具有角向Mathieu函数振幅分布的振幅调制元件。首先通过角向Mathieu函数,计算得到具有角向Mathieu函数的振幅分布灰度图,再将灰度图颜色黑白反转,用胶片输出仪打印在高分辨率感光胶片上。打印好的胶片经过照相底片冲洗工艺,得到振幅调制元件——振幅调制胶片。
胶片制作好后,将胶片紧贴锥镜入射面固定,入射平行光经胶片振幅调制和锥镜相位调制后,经菲涅尔衍射后产生Mathieu光束。
本发明产生Mathieu光束的理论过程如下:
根据奇、偶模及光束相对于或的对称性,Mathieu光束可分为四大类。分别为:第一、二类偶型Mathieu光束,可写为ce2m(η,q)Je2m(ξ,q)和ce2m+1(η,q)Je2m+1(ξ,q),m=0,1,2,...,ce和Je分别为偶型角向、径向马丢函数;第一、二类奇型Mathieu光束,可写为se2m+2(η,q)Jo2m+2(ξ,q)和se2m+1(η,q)Jo2m+1(ξ,q),m=1,2,3,...,其中,se和Jo分别为奇型角向、径向Mathieu函数。式中q是无量纲椭圆参量。显然,Mathieu光束的阶次m和无量纲椭圆参量q共同决定了Mathieu光束的分布。
以第一类偶阶角向Mathieu函数为例,第一类偶阶角向Mathieu函数的傅里叶展开形式为
设加工的振幅调制胶片具有式(1)所示的透过率函数。
T(r)为锥镜变化函数
式中,k是波数,n为锥镜折射率,θ0为锥镜底角(锥镜入射平面和出射锥面间的夹角),R为锥镜入瞳半径。
假定振幅为E0平行光先经过振幅调制元件调制后,再经锥镜调制相位后,锥镜后的光场复振幅分布为
锥镜后的光场的传输可写为菲涅尔衍射的形式:
在推导式(4)的过程中,下面的关系式(5)将被使用
式中,C2m=2πA0/ce2m(0;q)ce2m(π/2;q)为比例常数,不影响光束分布。
利用式(5),方程(4)可推导为如下的形式
设g(r)=Je2m(ξ,qz)ce2m(η,qz)r。当k→∞,稳相法能用来求解形如∫g(r)exp[ikf(r)]的积分表达式。根据可求得稳相点为r0=(n-1)θ0z。当r=r0∈[0,R],方程(6)可写为
(7)式即为锥镜后的光场振幅分布。(7)式表明,锥镜后的光束可以被看作无衍射Mathieu光束。
以上理论推导结果证明,利用胶片振幅调制合并锥镜相位调制的方法,可精确地产生无衍射Mathieu光束。
与过去利用Durnin装置产生Mathieu光束的方法相比,本发明利用胶片振幅调制和锥镜相位调制的方法,将胶片紧贴锥镜入射面固定,对光能的利用率更高,可以高效、精确地产生Mathieu光束。另外,通过加工任意类型、任意阶次、任意椭圆参数的角向Mathieu函数分布的胶片,可以方便灵活、精确地产生相应的任意Mathieu光束。
附图说明
图1为本发明通过胶片振幅调制和锥镜相位调制精准产生Mathieu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为本发明通过胶片振幅调制和锥镜相位调制精准产生Mathieu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)、胶片(4)、锥镜(5)、科学CCD相机(6)。
实验实施过程如下:
1、通过角向Mathieu函数计算,得到具有角向Mathieu函数的振幅分布图,制作具有该振幅分布图的胶片(4)。胶片(4)的具体制作步骤:通过角向Mathieu函数,计算得到具有角向Mathieu函数的振幅分布灰度图;将灰度图颜色进行黑白反转;用胶片输出仪将颜色反转后的灰度图输出在高分辨率感光胶片上;打印好的胶片经过照相底片冲洗工艺,得到振幅调制元件——振幅调制胶片。
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,入射至胶片(4)上。
3、胶片(4)对入射的平行光进行振幅调制。
4、振幅调制后的光束经锥镜(5)相位调制后,在锥镜(5)的焦平面后用科学CCD相机(6)记录Mathieu光束。
5、加工任意类型、任意阶次、任意椭圆参数的角向Mathieu函数分布的胶片(4),即可得到相应的不同类型、不同阶次、不同椭圆系的Mathieu光束。
Claims (3)
1.基于胶片振幅调制和锥镜相位调制产生Mathieu光束的方法,其特征在于:利用Propalette 8000胶片输出仪制作具有角向Mathieu函数分布的振幅调制胶片;将胶片紧贴锥镜入瞳面,入射激光束经胶片振幅调制和锥镜调制相位,在锥镜后精确产生Mathieu光束。
2.根据权利要求1所述的基于胶片振幅调制和锥镜相位调制产生Mathieu光束的方法,其特征在于该方法的具体步骤如下:
(1)、构造具有角向Mathieu函数分布的振幅分布灰度图;
(2)、将灰度图颜色黑白反转,输入胶片输出仪打印在高分辨率感光胶片上,经曝光处理后得到振幅调制胶片;
(3)、用制作的胶片调制入射激光束的振幅分布;
(4)、将胶片紧贴锥镜入瞳面放置,胶片振幅调制后的光束经锥镜相位调制,在锥镜的焦平面后用科学CCD相机记录产生的Mathieu光束。
3.根据权利要求1所述的基于胶片振幅调制和锥镜相位调制产生Mathieu光束的方法,其特征在于:该方法可以制作任意类型、任意阶次、任意椭圆参数的角向Mathieu函数分布的振幅调制胶片,精确地产生相应的任意Mathieu光束。
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