CN110824716B - 一种灵活调控自聚焦光束自聚焦焦距的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种灵活调控自聚焦光束自聚焦焦距的方法，该方法将使用计算机全息技术产生的具有二次相位因子的相位全息图加载到空间光调制器上，并通过改变二次相位因子系数实现对圆艾里光束自聚焦焦距的调控，产生所需自聚焦焦距的圆艾里光束，光环分布清晰，聚焦效果良好；利用计算机全息技术产生立方相位全息图，对成本几乎没有要求；可体现出不同焦距透镜对圆艾里光束的聚焦效果，相比于使用傅里叶空间产生圆艾里光束的的方式，不需要使用傅里叶变换透镜。并且这种调控方式操作方便，能更加灵活的实现对自聚焦焦距的调控，可以完成特定的研究任务。

Description

一种灵活调控自聚焦光束自聚焦焦距的方法
技术领域
本发明涉及一种调控自聚焦光束自聚焦焦距的方法，具体公开了一种对自聚焦光场相位施加二次相位因子以调控焦距的方法。
背景技术
2010年Efrimidis将笛卡尔坐标系中自加速的艾里光束拓展到柱坐标系中，提出了一种能够自聚焦的圆艾里光束[Optics Letters,2010,35(23):4045-4047]。
2011年Greenfield提出一种产生不同凹形加速传输光束的简便方法，即通过设计空间光调制器的相位分布，得到不同预设轨迹的一维加速光束。2015年，Zhang在理论上研究了具有不同初始速度的一维和二维圆艾里光束[Romanian Reports in Physics，2015,67(3):1099-1107]。
改变光束入射角和通过计算不同焦距对应的圆艾里光场相位全息图，都可调控圆艾里光束自聚焦焦距，两者虽容易实现，但要添加机械控和重新计算光场相位分布，操作较为复杂，不能灵活调控圆艾里光束自聚焦焦距。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种通过对圆艾里光束的光场相位施加二次相位因子以调控光束自聚焦焦距的方法，该方法可以灵活的对圆艾里光束聚焦焦点位置在光轴上进行调控，可获得不同长度自聚焦焦距的圆艾里光束。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种灵活调控自聚焦光束自聚焦焦距的方法，该方法通过计算产生一种施加二次相位因子的圆艾里光束相位全息图来实现对圆艾里光束自聚焦焦距的调控，具体的实施步骤为：首先通过计算机全息技术获得施加二次相位因子的相位全息图；再通过调整二次相位因子系数获得不同自聚焦焦距的圆艾里光束相位全息图，并将其加载到空间光调制器上；最后利用经过扩束准直的激光照射加载有相位全息图的空间光调制器，从而灵活的调控圆艾里光束自聚焦焦距，产生所需特定自聚焦焦距的圆艾里光束。
本发明方法的基础理论如下：
对圆艾里光束初始平面电场分布施加二次相位因子可表示为：
E(r)＝Ai(r0-r)exp(a(r0-r))exp(im(r0-r)2) 式1
式中：Ai(r0-r)为Airy函数；r0为光束的初始半径，影响中心光环的宽度；r是圆坐标系的半径；a是衰减系数。
exp(im(r0-r)2) 式2
式2为所施加的二次相位因子，可将所施加的二次相位因子类似是薄透镜相位因子。
对入射光场进行衍射积分和傅里叶积分运算可得到光场远场表示：
Figure BDA0002338964900000021
式中，
Figure BDA0002338964900000022
为波数；z为传播距离坐标；
Figure BDA0002338964900000023
为无量纲的径向坐标，w0为径向尺度因子；
Figure BDA0002338964900000024
为光在传播距离为z时的无量纲光环径向坐标，R为光在传播距离为z时的径向坐标；i为虚数单位；m为二次相位因子系数。
依据式3利用圆艾里光束的傅里叶变换定义和衍射理论计算得到在施加二次相位因子的情况下平行光入射到位相掩膜板的光振幅分布，得到相位全息图。
相比于现有技术，本发明提出的方法具有如下优点：
1、将使用计算机全息技术产生的具有二次相位因子的相位全息图加载到空间光调制器上，并通过改变二次相位因子系数实现对圆艾里光束自聚焦焦距的调控，产生所需自聚焦焦距的圆艾里光束，光环分布清晰，聚焦效果良好；
2、由于是通过计算机全息技术产生立方相位全息图，对成本几乎没有要求；
3、可体现出不同焦距透镜对圆艾里光束的聚焦效果，相比于使用傅里叶空间产生圆艾里光束的的方式，不需要使用傅里叶变换透镜。并且这种调控方式操作方便，能更加灵活的实现对自聚焦焦距的调控，可以完成特定的研究任务。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例,并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为二次相位因子系数m＝-0.05，m＝0.05时的相位全息图。
图2为二次相位因子系数m＝-0.05，m＝0.05时的圆艾里光束在z＝0mm，z＝10mm的x-y平面的光场对比图。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
本发明一种灵活调控自聚焦光束自聚焦焦距的方法的实施步骤如下：
(1)根据公式3，利用计算机全息技术产生相位全息图；
(2)通过改变二次相位因子系数m的取值获得不同自聚焦焦距的圆艾里光束相位全息图；
(3)把相位全息图加载到空间光调制器上，并利用经过扩束准直的激光照射加载有相位全息图的空间光调制器，产生所需特定聚焦焦距的圆艾里光束。
请参阅图1，为用于产生圆艾里光束的相位全息图的一个实施例。本实施例中所利用的激光波长为532.8nm，空间光调制器的分辨率为512×512像素，实验所设置的二次相位因子系数m＝-0.05、m＝0.05，选取衰减系数a＝0.1，r0＝500μm，利用计算机全息技术计算产生二次相位因子系数m＝-0.05、m＝0.05下的相位全息图。通过改变二次相位因子系数m的大小产生具有不同调控效果的圆艾里光束相位全息图，再将相位全息图加载到空间光调制器上，其衍射光±1级即为调制后所需自聚焦焦距的圆艾里光束。请参阅图2，可看到二次相位因子系数m的取值不同对圆艾里光束聚焦焦点在光轴上的位置有着不同的改变，从而可以灵活的改变圆艾里光束的自聚焦焦距。
本实施例仅给出了一维形式的立方相位全息图，当然在本发明的其他实施例中可以推广到二维的形式，理论上可产生同样的调控效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种灵活调控自聚焦光束自聚焦焦距的方法，其特征在于该方法的实施步骤为：首先通过计算机全息技术获得施加二次相位因子的相位全息图；再通过调整二次相位因子系数获得不同自聚焦焦距的圆艾里光束相位全息图，并将其加载到空间光调制器上；最后利用经过扩束准直的激光照射加载有相位全息图的空间光调制器，产生所需特定自聚焦焦距的圆艾里光束；
相位全息图的计算公式为：
Figure FDA0003110303040000011
式中，
Figure FDA0003110303040000012
为波数；z为传播距离坐标；
Figure FDA0003110303040000013
为无量纲的径向坐标，r0为光束的初始半径，r是圆坐标系的半径，w0为径向尺度因子；
Figure FDA0003110303040000014
为光在传播距离为z时的无量纲光环径向坐标，R为光在传播距离为z时的径向坐标；i为虚数单位；a是衰减系数；Ai(s0)为Airy函数；exp(im(s0)2)为所施加的二次相位因子，m为二次相位因子系数。
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Denomination of invention: A method of flexibly adjusting the self-focusing focal length of self-focusing beam

Granted publication date: 20210907

License type: Exclusive License

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