CN112327557A

CN112327557A - 一种自加速光生成方法及装置

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Publication number: CN112327557A
Application number: CN202011296778.3A
Authority: CN
Inventors: 杨鹏真
Original assignee: China United Network Communications Group Co Ltd
Current assignee: China United Network Communications Group Co Ltd
Priority date: 2020-11-18
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2040-11-18
Also published as: CN112327557B

Abstract

本公开实施例提供了一种自加速光生成方法及装置，涉及光束技术领域，通过创建光场，并增加线性相位，从而得出所需的自加速光。具体方案包括：创建出自加速光的光场；将光场通过傅里叶变换,得出自加速光的振幅和初始相位；确定相位值，其中，相位值包括初始相位和线性相位；将振幅和相位值加载到光路生成装置，得到光源。

Description

一种自加速光生成方法及装置

技术领域

本公开涉及光束技术领域，具体而言，涉及一种自加速光生成方法及装置。

背景技术

自散焦非线性条件下的自加速光束通常指其传播路径出现“弯曲”的光束，其中最具有代表性的是艾里光束，艾里光束的频谱空间振幅为高斯型，相位为空间频率的三次幂；根据艾里光束的振幅和相位特性在实验中通常采用相位调制的方式生成。

经研究发现自散焦非线性条件下的自加速光的频谱空间振幅不全是常见的高斯型或平面波，因而无法通过相位调制方式获得。

发明内容

本公开提供了一种自加速光生成方法及装置，以解决无法生成自散焦非线性条件下的自加速光的问题。

为达到上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，本公开提供了一种自加速光生成方法，该方法包括以下步骤：创建出自加速光的光场；将光场通过傅里叶变换得出自加速光的振幅和初始相位；确定相位值，其中，相位值包括初始相位和线性相位；将振幅和相位值加载到光路生成装置，得到光源。

本公开提供一种自加速光生成方法，创建出自加速光的光场后，对光场进行处理从而得到自加速光的振幅和初始相位，通过在初始相位上增加线性相位，将最终相位值和振幅数据加载到光路生成装置，从而得到所需的光源。基于振幅调制机制，得到在自散焦条件下非线性自加速光；通过创建出满足要求的光场并对光场的相关数据进行处理，最后通过光路生成装置对光场数据进行呈现，从而得到所需的光源。整个过程方便易操作，无需引入其他设备，对实验环境的要求较低。

第二方面，本公开提供了一种自加速光生成装置，该装置包括创建模块、处理模块、确定模块和生成模块；具体的，创建模块，用于创建出自加速光的光场；处理模块，用于将光场通过傅里叶变换得出自加速光的振幅和初始相位；确定模块，用于确定相位值，其中，相位值包括初始相位和线性相位；生成模块，用于将振幅和相位值加载到光路生成装置，得到光源。

本公开中第二方面及其各种实现方式的具体描述，可以参考第一方面的实现方式中的详细描述；并且，第二方面及其各种实现方式的有益效果，可以参考第一方面的实现方式中的有益效果分析，此处不再赘述。

本公开的这些方面或其他方面在以下的描述中会更加简明易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本公开实施例中光路生成装置的示意图；

图2是根据本公开实施例中一种自加速光生成方法的示意图；

图3是根据本公开实施例中一种自加速光生成系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在对本公开提供的自加速光生成方法进行详细介绍之前，先对本公开涉及的应用场景和实施环境进行简单介绍。

首先，对本公开涉及的应用场景进行简单介绍。

近年来，艾里光束以及推广的自加速光束因其无衍射、自弯曲传输以及自愈等奇异特性引发大量关注。这些光束的构想不仅得到了实验证实，而且具有广泛的应用前景，包括操作微纳颗粒、等离子体通道和表面等离子体激元、电子加速、精密成像、湍流传输、引导放电等。

艾里光束是自散焦非线性条件下的一种无衍射的自加速光。在研究中发现，艾里光束的频谱空间振幅为高斯型，相位为空间频率的三次幂，在实验中可以采用空间光束调制器对高斯光束的频谱相位进行调控，再用透镜做傅里叶变换生成。

而经研究发现自散焦非线性条件下的自加速光的频谱空间振幅不全是常见的高斯型或平面波，因而无法通过相位调制产生自散焦非线性条件下的自加速光。

为了解决现有技术的问题，本公开提供的一种自加速光生成方法及装置。本公开实施例提供的自加速光生成方法的执行对象可以为本公开实施例提供的自加速光生成装置，也可以为包括该自加速光生成装置的电子设备，具体的可以根据实际使用需求确定，本公开实施例不作限定。

如图1所示，其示出了本公开涉及的实施环境(实施架构)的示意图。该实施环境(光路生成装置)中包括激光器110、物镜120、透镜130、平面反射镜140、空间光调制器150、用户设备160和4F系统170。当激光器发射出激光后，物镜与透镜对接收到的激光进行扩束；扩束后通过平面反射镜将光束反射到是空间光调制器上，通过电脑将模拟的振幅和相位信息加载在空间光调制器上，空间光调制器处理后通过4F系统进行处理，最后由透镜进行调制，调制后的光束入射到比色皿(比色皿中放有可提供自散焦非线性条件的间甲酚尼龙溶液)中。投射之后的光束可通过由透镜L5和CCD图像传感器(charge coupled devicecamera，CCD)组成的成像系统观察其光场形貌。

其中，激光器110是指能发射激光的装置。

其中，物镜120是指由若干个透镜组合而成的一个透镜组。组合使用的目的是为了克服单个透镜的成像缺陷，提高物镜的光学质量。具体的，本公开中选用10倍物镜，工作距离WD＝7mm，数值孔径NA＝0.25，与透镜起到扩束作用。

其中，透镜130是指用透明物质制成的表面为球面一部分的光学元件。具体的，本公开中的透镜焦距f＝200mm。

其中，平面反射镜140是指反射面为平面的反射镜,称平面反射镜。

其中，空间光调制器150是指在主动控制下，通过液晶分子调制光场的某个参量，例如通过调制光场的振幅、折射率调制相位、偏振面的旋转调制偏振态，或是实现非相干——相干光的转换，将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。可以方便地将信息加载到一维或二维的光场中，利用光的宽带宽，多通道并行处理等优点对加载的信息进行快速处理。

其中，用户设备160可以为平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、便携式计算机等。

其中，4F系统170是指一种特殊的应用比较广的光学系统，当输入两束相干的偏振光时，经过特殊的光学装置，余弦光栅、变换平面等，使输入的光在屏幕上产生衍射谱，精细的横向移动余弦光栅，可以连续的改变两束光的衍射级数的相位差，达到衍射光强相减或相加的目的。

图2是根据一示例性实施例示出的一种自加速光生成方法的流程图，如图1所示，自加速光生成方法用于自加速光生成装置中，该方法可以包括步骤210-步骤240。

210、创建出自加速光的光场。

本步骤中，自加速光束在非线性介质中的传输满足非线性薛定谔方程：

其中，φ是光束的光场，k₀＝2π/λ是真空中的波矢，n₀是线性折射率，n₂是非线性系数。

因本公开需要得到能够稳定传输的自加速光，因此光束必须满足在运动坐标系统下的具有稳态解。所以光束必须满足

即光束沿着曲线x＝f(z)传输，设s＝x-f(z)。

将上述非线性薛定谔方程转换到运动坐标系统中的表达式为：

其中，令

将

代入非线性薛定谔方程转换到运动坐标系统中的表达式中得出：

其中，c是常数，利用龙格库塔(龙格库塔(Runge-Kutta)方法是一种在工程上应用广泛的高精度单步算法。此算法精度高，采取措施对误差进行抑制，其实现原理也较为复杂。该方法是构建在数学支持的基础之上的。通常被称为"RK4"或者就是"龙格库塔法"。该方法主要应用是在已知方程导数和初值信息，利用计算机仿真时应用，省去求解微分方程的复杂过程。)求解上式，可得到自散焦非线性条件下沿着弯曲轨迹传输的自加速光的光场。

220、将光场通过傅里叶变换得出自加速光的振幅和初始相位。

本步骤中，通过将求得的光场由实空间(晶体中真实存在的内部结构空间，即现实空间)经傅里叶变换到在频谱空间，从而求出此自加速光束的频谱的振幅和相位。

230、确定相位值，其中，相位值包括初始相位和线性相位。

在实验过程中发现，通过该方式得到的光束夹有许多杂光，因而需要将杂光滤掉，直接进行光束滤光有难度。

本步骤中，通过在原有的光束的相位上增加线性相位以解决杂光的问题。具体的，线型光束就相当于一个闪耀光栅，其主要作用是改变入射光的级次，将光束中的零级光和一级光分开。通过这种方式将杂光滤掉。

240、将振幅和相位值加载到光路生成装置，得到光源。

本步骤中，具体的，然后将振幅和相位值按照以下相位表达式共同加载到光路生成装置中的空间光调制器150上，

T_L＝exp[iM(φ+φ_L)]

其中，M表示振幅0≤M≤1，相移可以由最小0线性增加到2πM，φ是光场的相位，φ_L是线性相位(φ_L＝2πuA，1/A是光栅的空间周期，A是0～2π),u是光场。

在一具体的实施例中，利用如图1所示光路生成装置，激光器110发射出波长为532nm的激光，激光经过物镜120和透镜130准直扩束后得到近似平行光束的平面波前。平行光束经λ/2半波片180调制，调制后使电场偏振方向与空间光调制器150的液晶光轴平行。调制后光束经过平面反射镜140投射到已加载振幅和相位信息的空间光调制器150上，光束经空间光调制器150反射进入4f系统170，在4F系统170中间处将杂光滤掉，滤掉后的光束经傅里叶变换由频谱空间转换到实空间，最后利用透镜(焦距f5＝150mm)和CCD图像传感器组成的成像系统即可观察到光束的形貌。

进一步地，自加速光的光场在运动坐标系下具有稳态解。

具体的，设置在运动坐标系下具有稳态解的计算条件，可使最终获得能够稳定传输的自加速光。

进一步地，将振幅和相位值加载到光路生成装置，得到光源步骤中，包括：将线性相位旋转后加载到光路生成装置中。

其中，在增加线性相位的时候，与传统的方式不同，需要横向增加加线性相位，即将线性相位旋转90度，从而得到较好的过滤效果。因原有的初始相位是竖直加载空间光调制器上的，若以竖直角度增加线性相位会导致线性相位和初始相位混合，对原有的光场造成影响。

进一步地，光路生成装置包括平面反光镜，平面反光镜用于将光束反射到空间光调制器上。

其中，传统的光路生成装置中往往采用分光棱镜将光束反射到空间光调制器150上进行相位调制，调制后的光束再由空间光调制器反射入4F系统中。根据分光棱镜的特性(分光棱镜能把入射的光束分成两束垂直的线偏光。其中一部分光束完全通过，另一部分光束以一定角度被反射)，使用分光棱镜会使整个过程损耗一半的光功率(由于被反射出去)。

因此，本公开的光路生成装置使用平面反射镜140将光束全部反射到空间光调制器150上进行振幅调制，调制后的光束再由空间光调制器反射入4F系统中，这个过程不会损耗光功率。

上述实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：创建出自加速光的光场后，对光场进行处理从而得到自加速光的振幅和初始相位，通过在初始相位上增加线性相位，将最终相位值和振幅数据加载到光路生成装置，从而得到所需的光源。基于振幅调制机制，得到在自散焦条件下非线性自加速光；通过创建出满足要求的光场并对光场的相关数据进行处理，最后通过光路生成装置对光场数据进行呈现，从而得到所需的光源。整个过程方便易操作，无需引入其他设备，对实验环境的要求较低。

上述主要从方法的角度对本公开实施例提供的方案进行了介绍。为了实现上述功能，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，本公开能够以硬件或硬件和计算机软件的结合形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。

图3是根据一示例性实施例示出的一种自加速光生成装置的框图，该自加速光生成装置可以用于执行图1所示的自加速光生成方法。作为一种可实现方式，该装置可以包括创建模块310、处理模块320、确定模块330和生成模块340。

创建模块310，用于创建出自加速光的光场；例如，结合图2，创建模块310可以用于执行S210。

处理模块320，用于将光场通过傅里叶变换,得出自加速光的振幅和初始相位；例如，结合图2，处理模块320可以用于执行S220。

确定模块330，用于确定相位值，其中，相位值包括初始相位和线性相位；例如，结合图2，确定模块330可以用于执行S230。

生成模块340，用于将振幅和相位值加载到光路生成装置，得到光源。例如，结合图2，生成模块340可以用于执行S240。

进一步地，自加速光的光场在运动坐标系下具有稳态解。

进一步地，处理模块320，还用于将线性相位旋转后加载到光路生成装置中。

当然，本公开实施例提供的自加速光生成装置包括但不限于上述模块，例如还可以包括存储模块。存储模块可以用于存储该自加速光生成装置的程序代码，还可以用于存储自加速光生成装置在运行过程中生成、接收到的数据等。

相对于现有技术而言，本发明具有以下特点：

根据加速坐标系下稳态解确定出本发明的自加速光的光场，并结合实际需要确定光场的相位和振幅分布。

根据增加线性相位，从而过滤掉杂光。

通过在光路生成装置增加平面反光镜，从而避免光功率消耗。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种自加速光生成方法，其特征在于，包括：

创建出自加速光的光场；

将所述光场通过傅里叶变换,得出所述自加速光的振幅和初始相位；

确定相位值，其中，所述相位值包括所述初始相位和线性相位；

将所述振幅和所述相位值加载到光路生成装置，得到光源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自加速光的光场在运动坐标系下具有稳态解。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述振幅和所述相位值加载到光路生成装置，得到光源步骤中，包括：

将所述线性相位旋转后加载到所述光路生成装置中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光路生成装置包括平面反光镜，所述平面反光镜用于将光束反射到空间光调制器上。

5.一种自加速光生成装置，其特征在于，包括：

创建模块，用于创建出自加速光的光场；

处理模块，用于将所述光场通过傅里叶变换,得出所述自加速光的振幅和初始相位；

确定模块，用于确定相位值，其中，所述相位值包括所述初始相位和线性相位；

生成模块，用于将所述振幅和所述相位值加载到光路生成装置，得到光源。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述自加速光的光场在运动坐标系下具有稳态解。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，包括：

处理模块，还用于将所述线性相位旋转后加载到所述光路生成装置中。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光路生成装置包括平面反光镜，所述平面反光镜用于将光束反射到空间光调制器上。