CN109782451A - 一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法和系统，包括以下步骤：S1、部分相干光源发出平行光，所述平行光正入射至角锥的平面并在角锥的锥面上发生折射；S2、经所述角锥折射的光束出射并在光轴处聚焦，形成聚焦光场；所述聚焦光场包括多个与光轴重合的连续焦点；S3、光束经所述角锥聚焦后继续在自由空间传输，实现角锥场整形。其能够通过改变入射光束的阶数以改变其空间关联结构，从而实现角锥场的光束整形，在光镍和光学传输等方面具有很大的应用前景。

Description

一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法和系统

技术领域

本发明涉及光束的传输与变换领域，具体涉及一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法和系统。

背景技术

衍射现象是物理光学的基础，克服衍射的概念一直以来都非常具有吸引力。贝塞尔光束是无衍射光束的一种，它同时具有强大的自修复能力，在微制造、微纳光学以及光镍等领域具有很大的应用。贝塞尔光束可以看做是一系列沿着角锥传播的平面波，每个平面波经过相同的距离后经历了相同的相移，角锥也是目前最常用来产生贝塞尔光束的元件之一。

有关角锥场的研究追溯到1986年，Durnin等人找到了波动方程的非扩散解，并且首次在实验上产生了这种无衍射光束，由于该光束径向强度表达式包含贝塞尔函数，故称为贝塞尔光束。1991年A.T.Friberg等人计算了一种空间传播不变的部分相干光束存在的必要条件，随后J.Turunen等人给出了该类光束的交叉谱密度表达式。1998年A.T.Friberg等人研究了部分相干光束的轴向光强控制，并且提出一种利用环形孔径角锥产生强度均匀的延长聚焦线段的方法。随后科研工作者们对角锥场进行了大量的研究与设计。

然而，人们一般通过改变入射光束的振幅、相位、偏振态等对角锥场进行调控，目前对于入射光束的关联结构还仅限于传统的高斯关联。而传统的高斯关联的入射光束的关联结构比较单一，适用范围较小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法和系统，其能够通过改变入射光束的阶数以改变其空间关联结构，从而实现角锥场的光束整形，在光镍和光学传输等方面具有很大的应用前景。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法，包括以下步骤：

S1、部分相干光源发出平行光，所述平行光正入射至角锥的平面并在角锥的锥面上发生折射；

S2、经所述角锥折射的光束出射并在光轴处聚焦，形成聚焦光场；所述聚焦光场包括多个与光轴重合的连续焦点；

S3、光束经所述角锥聚焦后继续在自由空间传输，实现角锥场整形。

作为优选的，所述部分相干光源为多高斯谢尔模源，所述多高斯谢尔模源发出的光束的相干结构为多高斯关联。

作为优选的，所述多高斯关联的关联函数的表达式为：

其中，M是光束阶数，ρ₁、ρ₂是源平面上任意两点的位置矢量，σ和δ分别表示光束的光斑尺寸和相干长度。

作为优选的，改变S1中所述部分相干光源的光束阶数以调节光束的相干结构。

作为优选的，S1中所述平行光从空气正入射至角锥平面。

作为优选的，S1中所述角锥在空气中的折射率为1.51630。

作为优选的，S3中光束在自由空间的传输矩阵为其中z轴为光轴所在方向。

本发明还公开了一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形系统，包括依次设置的多高斯谢尔模源、角锥和光探测器，所述多高斯谢尔模源发出相干结构可调制的光束。

作为优选的，所述光探测器为CCD或CMOS。

本发明的有益效果：

1、本发明通过改变入射光束的阶数M可以改变其空间关联结构，从而实现角锥场的光束整形。

2、在现有技术中，大多是用薄透镜来产生平顶光束，然而薄透镜的聚焦光斑比较大且焦深较小，不满足实际应用需要，本发明提供了一种新的部分相干平顶光束的产生方法与系统，该方法产生的平顶光束具有较小的聚焦光斑以及较大的焦深，且该聚焦光束可以实现在不同传输距离处光强分布的调控，与一般的多高斯光束远场产生平顶轮廓相比大大减小了传播距离。

3、本发明装置结构简单、成本低廉、易于操作。

附图说明

图1是本发明一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形系统的结构示意图；

图2是M＝1时，多高斯谢尔模光束经角锥聚焦之后在不同传播距离z处的归一化光强三维分布模拟图；

图3是图2所述实施例光束在y-z截面的归一化光强分布模拟图；

图4是图2所述实施例光束分别在z₁＝5mm、z₂＝20mm、z₃＝35mm、z₄＝50mm、z₅＝65mm、z₆＝80mm、z₇＝95mm、z₈＝110mm、z₉＝125mm传输距离处的光强分布模拟图。

图5是M＝4时，多高斯谢尔模光束经角锥聚焦之后在不同传播距离z处的归一化光强三维分布模拟图；

图6是图5所述实施例光束在y-z截面的归一化光强分布模拟图；

图7是图5所述实施例光束分别在z₁＝10mm、z₂＝12mm、z₃＝14mm、z₄＝16mm、z₅＝18mm、z₆＝20mm、z₇＝22mm、z₈＝24mm、z₉＝26mm传输距离处的光强分布模拟图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提供了一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法，包括以下步骤：

S1、部分相干光源发出平行光，所述平行光正入射至角锥的平面并在角锥的锥面上发生折射；

S2、经所述角锥折射的光束出射并在光轴处聚焦，形成聚焦光场；所述聚焦光场包括多个与光轴重合的连续焦点；

S3、光束经所述角锥聚焦后继续在自由空间传输，实现角锥场整形。

选用多高斯关联的谢尔模源，其交叉谱密度为：

其中，M是光束阶数，G₀为归一化常数，ρ₁、ρ2是源平面上任意两点的位置矢量，σ和δ分别表示光束的光斑尺寸和相干长度。

参见附图1，该多高斯谢尔模源发出的平行光从空气正入射角锥的平面后，在角锥的锥面上发生折射，所有出射光线都在z轴聚焦，无数焦点产生一条与z轴互相重合的连续焦线，且角锥顶角α越大，所产生的焦线越长。z轴即在光轴处。

利用以下柯林斯积分公式计算多高斯谢尔模源经过角锥之后在ABCD光学系统的传输：

其中，r₁、r₂为输出平面上的两个位置矢量，A、B、C、D为光学系统的矩阵元，T表示角锥的振幅透过率：

且

式中，n_d表示锥透镜在介质中的相对折射率，D为角锥的最大厚度，α表示角锥的顶角，R为锥透镜的光瞳半径，j是虚数单位，k代表波矢。

本实施例中，我们选取的固定参数为：λ＝0.633μm，δ＝2σ＝5mm，

n_d＝1.51630，α＝170°。

经过一系列复杂的数学积分之后，我们得到了多高斯谢尔模源经过角锥聚焦后并在ABCD系统传输的交叉谱密度表达式：

其中，

光束自角锥场聚焦之后在自由空间传输，自由空间的传输矩阵为：

因此，多高斯谢尔模源经过角锥聚焦后在自由空间传播的光谱密度表达式为：

I(r)＝W(r,r)

上式光强表达式中，M取值不同，代表入射光束具有不同的关联函数，且随着M的增大，入射光束包含越多的关联结构信息。因此，通过改变M的大小可以实现入射光束空间关联结构的改变。

参见附图2、附图3和附图4，M＝1时，入射光束具有传统的高斯谢尔模关联，经过角锥之后产生了无衍射的贝塞尔光束，且随着传播距离z的增大，光束在很长一段范围内保持光针形态。随着M增大，空间关联结构改变，无衍射特性被破坏，光束经过角锥之后随着传播距离的增大逐渐变为平顶高斯光束，且M越大光束的衍射现象越严重。如M＝4时，参见附图5和附图6，多高斯谢尔模源经过角锥之后逐渐演变为平顶高斯光束。参见附图7，该聚焦光束可以实现在不同传输距离处光强分布的调控，与一般的多高斯光束远场产生平顶轮廓相比大大减小了传播距离。

由此表明，入射光束的空间关联结构对于调控角锥场聚焦光强分布有着重要的作用，通过改变入射光束的空间关联结构可以实现角锥场的整形。另外，作为一个实施例，本发明提供了一种新的部分相干平顶光束的产生方法与系统该方法产生的平顶光束具有较小的聚焦光斑以及较大的焦深。

本发明还公开了一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形系统，包括依次设置的多高斯谢尔模源、角锥和光探测器，所述多高斯谢尔模源发出的光束的相干结构可调制。所述光探测器为CCD或CMOS。

基于上述特性，本发明的方法和系统在光镍、光学测试等方面具有广阔的应用前景。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、部分相干光源发出平行光，所述平行光正入射至角锥的平面并在角锥的锥面上发生折射；

S2、经所述角锥折射的光束出射并在光轴处聚焦，形成聚焦光场；所述聚焦光场包括多个与光轴重合的连续焦点；

S3、光束经所述角锥聚焦后继续在自由空间传输，实现角锥场整形。

2.如权利要求1所述的利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法，其特征在于，所述部分相干光源为多高斯谢尔模源，所述多高斯谢尔模源发出的光束的相干结构为多高斯关联。

3.如权利要求2所述的利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法，其特征在于，所述多高斯关联的关联函数的表达式为：其中，M是光束阶数，ρ₁、ρ₂是源平面上任意两点的位置矢量，σ和δ分别表示光束的光斑尺寸和相干长度。

4.如权利要求1所述的利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法，其特征在于，改变S1中所述部分相干光源的光束阶数以调节光束的相干结构。

5.如权利要求1所述的利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法，其特征在于，S1中所述平行光从空气正入射至角锥平面。

6.如权利要求1所述的利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法，其特征在于，S1中所述角锥在空气中的折射率为1.51630。

7.如权利要求1所述的利用光束空间相干结构实现角锥场整形的方法，其特征在于，S3中光束在自由空间的传输矩阵为其中z轴为光轴所在方向。

8.一种利用光束空间相干结构实现角锥场整形系统，其特征在于，包括依次设置的多高斯谢尔模源、角锥和光探测器，所述多高斯谢尔模源发出相干结构可调制的光束。

9.如权利要求8所述的利用光束空间相干结构实现角锥场整形系统，其特征在于，所述光探测器为CCD或CMOS。