CN110133856B - 一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统，包括：光源，用于产生线偏振激光；扩束准直器，用于对光源出射的线偏振激光进行扩束与准直；偏振转换器，用于将扩束后的线偏振激光转换成空间非均匀分布的矢量光场；聚焦透镜组，用于对矢量光场进行聚焦，并对矢量光场的焦斑进行调整，产生矢量拉盖尔‑高斯光场；金属圆盘，用于吸收矢量拉盖尔‑高斯光场的中心部分，由于锐边矢量衍射效应，诱导出高阶频谱分量，所述高阶频谱分量的相干叠加产生无衍射矢量贝塞尔光场。本发明通过金属圆盘的锐边衍射效应诱导高阶频谱分量，而贝塞尔光场的产生来源于这些具有圆对称分布高阶频谱分量的相干叠加，产生的光场具有无衍射传输特性以及自愈特性。

Description

一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统和方法
技术领域
本发明涉及贝塞尔光场的产生技术领域，具体涉及一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统和方法。
背景技术
衍射是一种常见的物理现象，空间受限的单色激光在自由空间传播瑞利距离后，就会变得衍射发散。然而，1987年美国罗切斯特大学Durnin等人从自由空间标量波动方程出发，求得零阶贝塞尔函数解析解，并在实验上证明了此解具有无衍射传播特性，从而首次提出无衍射贝塞尔光场的概念。这种光场的特点是中心光斑非常小，且在垂直于传播方向的任意平面内其光场分布是一致的，即光场在传输过程中不发散。1998年，捷克学者Bouchal等人发现了贝塞尔光束的另一个重要特性——自恢复性，即光场受到扰动甚至被部分遮挡时，在传输一段距离后能够重新恢复初始贝塞尔光场的特性。近期研究还表明，贝塞尔光场在空间中传输时受到大气湍流的扰动和在非均匀介质受到的散射影响比高斯光场要小的多。基于以上特性，无衍射贝塞尔光场被广泛应用于微粒操控、生物光子学、非线性光学和大气激光通信等领域。
目前，产生贝塞尔光场的方法有很多，主要分为主动式和被动式两大类。其中，主动式主要利用激光谐振腔并结合相关晶体元件器直接输出无衍射贝塞尔光场；被动式则在腔外将高斯光场转换为无衍射贝塞尔光场，所用到的方法主要涉及全息图、轴棱锥、空间光调制器、模式叠加等技术，其系统相对复杂且成本较高，其中，全息图法对全息片的质量要求较高；轴棱锥法可以产生长距离无衍射传输的贝塞尔光场，但对器件的加工精度要求非常高。
偏振是光场的重要基本属性，常用的光场偏振态有线偏振、圆偏振、椭圆偏振等，这类光场也称之为标量光场。近年来，矢量光场，一种空间偏振态呈非均匀分布的光场，作为一种新颖的空间结构光场而倍受人们关注。然而，以上所述的无衍射贝塞尔光场均没有涉及到光场的矢量特性，目前少有研究对无衍射矢量贝塞尔光场进行深入研究。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统和方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统，包括：光源，用于产生线偏振激光；扩束准直器，用于对光源出射的线偏振激光进行扩束与准直；偏振转换器，用于将扩束后的线偏振激光转换成空间非均匀分布的矢量光场；聚焦透镜组，用于对矢量光场进行聚焦，并对矢量光场的焦斑进行调整，产生矢量拉盖尔-高斯光场；金属圆盘，用于吸收矢量拉盖尔-高斯光场的中心部分，由于锐边矢量衍射效应，诱导出高阶频谱分量，所述高阶频谱分量的相干叠加产生无衍射矢量贝塞尔光场。
优选地，所述聚焦透镜组包括：依次设置的第一透镜和第二透镜；所述第一透镜，用于对矢量光场聚焦，在焦平面产生矢量拉盖尔-高斯光场；所述第二透镜，用于调节拉盖尔-高斯光场的光斑尺寸。
优选地，所述金属圆盘的厚度为微米量级或者亚微米量级，制作于透明衬底上。
优选地，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆盘是在玻璃基底上镀厚度为200nm，直径为1mm的金膜制成。
优选地，所述光源为具有竖直方向偏振的单色激光源。
优选地，所述矢量光场为径向偏振光或旋向偏振光。
优选地，所述偏振转换器为瑞士ARCoptix公司生产的液晶偏振转换器。
一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的产生方法，包括：
S1，对线偏振激光进行扩束与准直；
S2，将扩束后的线偏振激光转换成空间非均匀分布的矢量光场；
S3，对矢量光场进行聚焦，并对矢量光场的焦斑进行调整，产生矢量拉盖尔-高斯光场；
S4，所述矢量拉盖尔-高斯光场经圆盘衍射后，诱导出具有圆对称分布的矢量高阶平面波分量，所述矢量高阶平面波分量的相干叠加产生无衍射矢量贝塞尔光场。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
(1)本发明通过金属圆盘的锐边衍射效应诱导高阶频谱分量，而贝塞尔光场的产生来源于这些具有圆对称分布高阶频谱分量的相干叠加，产生的光场具有无衍射传输特性以及自愈特性。
(2)本发明通过引入偏振转换器，可以产生具有任意偏振态分布的矢量贝塞尔光场，这丰富了无衍射贝塞尔光场的研究内容。
(3)本发明拥有灵活的偏振转换器、聚焦透镜组以及金属圆盘等系统结构，与以往产生无衍射贝塞尔光场的系统方法相比较，具有操作简易灵活、系统稳定、加工成本低等突出优点。
附图说明
图1是本发明的产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统的结构示意图。
图2(a)是本发明在无检偏时产生的径向偏振贝塞尔光束光斑图。
图2(b)是本发明在水平检偏时产生的径向偏振贝塞尔光束光斑图。
图2(c)是本发明在垂直检偏时产生的径向偏振贝塞尔光束光斑图。
图3(a)是本发明在无检偏时产生的旋向偏振贝塞尔光光束光斑图。
图3(b)是本发明在水平检偏时产生的旋向偏振贝塞尔光光束光斑图。
图3(c)是本发明在垂直检偏时产生的旋向偏振贝塞尔光光束光斑图。
图4是本发明的产生无衍射矢量贝塞尔光场的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明涉及一种用偏振转换器以及金属圆盘产生具有不同空间偏振态分布的无衍射贝塞尔光场的系统和方法，所产生的贝塞尔光场具有矢量性、无衍射传输和自恢复特性，可被广泛应用于光通信、微粒操纵、生物光子学和非线性光学等领域。
参见图1、一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统，包括：光源1，用于产生线偏振激光；扩束准直器2，用于对光源1出射的线偏振激光进行扩束与准直；偏振转换器3，用于将扩束后的线偏振激光转换成空间非均匀分布的矢量光场；聚焦透镜组，用于对矢量光场进行聚焦，并对矢量光场的焦斑进行调整，产生矢量拉盖尔-高斯光场；金属圆盘6，用于吸收矢量拉盖尔-高斯光场的中心部分，由于锐边矢量衍射效应，诱导出高阶频谱分量，所述高阶频谱分量的相干叠加产生无衍射矢量贝塞尔光场。
需要说明的是，由于金属圆盘6的边缘衍射效应并不改变光场的偏振态分布，所产生的贝塞尔光场具有偏振矢量性，光场的偏振态分布取决于偏振转换器3的类型。
在本实施例，所述聚焦透镜组包括：依次设置的第一透镜4和第二透镜5；所述第一透镜4，用于对矢量光场聚焦，在焦平面产生矢量拉盖尔-高斯光场；所述第二透镜5，用于调节拉盖尔-高斯光场的光斑尺寸。矢量拉盖尔-高斯光场的焦斑可调。
在本实施例，所述金属圆盘6的厚度为微米量级或者亚微米量级，制作于透明衬底上。透明衬底一方面可以吸收金属圆盘6内的光场，另一方面在金属圆盘6的边缘可以产生足够强的锐边衍射效应，诱导出具有圆对称分布的高阶频谱分量。
更具体地，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆盘6是在玻璃基底上镀厚度为200nm，直径为1mm的金膜制成。
在本实施例，所述光源1为具有竖直方向偏振的单色激光源1。具体地，所述光源1为氦氖激光器。
在本实施例，所述偏振转换器3为瑞士ARCoptix公司生产的液晶偏振转换器3。液晶偏振转换器3可以产生径向和旋向两种矢量光场。即所述矢量光场为径向偏振光或旋向偏振光，还可以是其他的偏振光，在此不做具体限定。如图2(a)和图3(a)所示，分别为无检偏时的本实施例产生的径向偏振贝塞尔光束光斑图和旋向偏振贝塞尔光光束光斑图。如图2(b)和图3(b)所示，分别为水平检偏时本实施例产生的径向偏振贝塞尔光束光斑图和旋向偏振贝塞尔光光束光斑图。如图2(c)和图3(c)所示，分别为垂直检偏时本实施例产生的径向偏振贝塞尔光束光斑图和旋向偏振贝塞尔光光束光斑图。
参见图4，上述的所述产生无衍射矢量贝塞尔光场的产生方法，包括：
S1，对线偏振激光进行扩束与准直；
S2，将扩束后的线偏振激光转换成空间非均匀分布的矢量光场；
S3，对矢量光场进行聚焦，并对矢量光场的焦斑进行调整，产生矢量拉盖尔-高斯光场；
S4，所述矢量拉盖尔-高斯光场经圆盘衍射后，诱导出具有圆对称分布的矢量高阶平面波分量，所述矢量高阶平面波分量的相干叠加产生无衍射矢量贝塞尔光场。
综上所述，本发明提出一种简易可行的产生矢量无衍射贝塞尔光场的系统和方法。结合偏振转换器3和金属圆盘6即可实现无衍射矢量贝塞尔光场，该系统结构简易，操作灵活，稳定且造价低廉，具有实验和实用价值。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统，其特征在于，包括：
光源，用于产生线偏振激光；
扩束准直器，用于对光源出射的线偏振激光进行扩束与准直；
偏振转换器，用于将扩束后的线偏振激光转换成空间非均匀分布的矢量光场；
聚焦透镜组，用于对矢量光场进行聚焦，并对矢量光场的焦斑进行调整，产生矢量拉盖尔-高斯光场；
金属圆盘，用于吸收矢量拉盖尔-高斯光场的中心部分，由于锐边矢量衍射效应，诱导出高阶频谱分量，所述高阶频谱分量的相干叠加产生无衍射矢量贝塞尔光场。
2.根据权利要求1所述的产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统，其特征在于，所述聚焦透镜组包括：依次设置的第一透镜和第二透镜；
所述第一透镜，用于对矢量光场聚焦，在焦平面产生矢量拉盖尔-高斯光场；
所述第二透镜，用于调节拉盖尔-高斯光场的光斑尺寸。
3.根据权利要求1所述的产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统，其特征在于，所述金属圆盘的厚度为微米量级或者亚微米量级，制作于透明衬底上。
4.根据权利要求3所述的产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统，其特征在于，所述透明衬底为玻璃基底，所述金属圆盘是在玻璃基底上镀厚度为200nm，直径为1mm的金膜制成。
5.根据权利要求1所述的产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统，其特征在于，所述光源为具有竖直方向偏振的单色激光源。
6.根据权利要求1所述的产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统，其特征在于，所述矢量光场为径向偏振光或旋向偏振光。
7.一种基于权利要求1-6任一项的所述产生无衍射矢量贝塞尔光场的系统的产生方法，其特征在于，包括：
S1，对线偏振激光进行扩束与准直；
S2，将扩束后的线偏振激光转换成空间非均匀分布的矢量光场；
S3，对矢量光场进行聚焦，并对矢量光场的焦斑进行调整，产生矢量拉盖尔-高斯光场；
S4，所述矢量拉盖尔-高斯光场经圆盘衍射后，诱导出具有圆对称分布的矢量高阶平面波分量，所述矢量高阶平面波分量的相干叠加产生无衍射矢量贝塞尔光场。
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