CN113406790B - 一种产生高可控性离轴光学瓶的方法及系统 - Google Patents

一种产生高可控性离轴光学瓶的方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113406790B
CN113406790B CN202110489728.5A CN202110489728A CN113406790B CN 113406790 B CN113406790 B CN 113406790B CN 202110489728 A CN202110489728 A CN 202110489728A CN 113406790 B CN113406790 B CN 113406790B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gaussian beam
light modulator
phase
pierce
composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110489728.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113406790A (zh
Inventor
邓冬梅
莫振武
江骏杰
许丹琳
黄海琪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China Normal University
Original Assignee
South China Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China Normal University filed Critical South China Normal University
Priority to CN202110489728.5A priority Critical patent/CN113406790B/zh
Publication of CN113406790A publication Critical patent/CN113406790A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113406790B publication Critical patent/CN113406790B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/006—Manipulation of neutral particles by using radiation pressure, e.g. optical levitation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

本发明提供一种产生高可控性离轴光学瓶的方法及系统，该方法包括：使用计算机模拟平面波与圆皮尔斯高斯光束干涉，获得相位全息图，并将相位全息图加载至反射式空间光调制器上；根据光学参数在计算机上绘制复合二阶啁啾涡旋相位，并将其加载至透射式空间光调制器上；用高斯光束照射反射式空间光调制器，使反射光通过空间滤波系统，并选取正一级条纹，获得圆皮尔斯高斯光束；使圆皮尔斯高斯光束穿过透射式空间光调制器，获得经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束，使其在真空或无干扰的空气中传输，即可在传输过程中形成多次较强的聚焦，从而形成离轴光学瓶。本发明可对离轴光学瓶的连续调控，在粒子捕获及操纵方面更加高效，且自由度高。

Description

一种产生高可控性离轴光学瓶的方法及系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种产生高可控性离轴光学瓶的方法及系统。
背景技术
所谓“光瓶”，指的是三维光束在传播过程中形成的一个闭合的暗空间结构。这一概念是在2000年、由J.Arlt等提出的，相较于此前由A.Ashkin等人在1986年提出的仅能对单个粒子操控的光镊，光学瓶由于其独特的结构，可以实现对多粒子的操控，从而备受关注。
此外，在2018年，X.Y.Chen等人提出了圆皮尔斯光束。作为从皮尔斯光束的衍生光束，其继承了皮尔斯光束所具有的自愈合特性，同时也具备了较强的聚焦能力。更重要的是，相较于圆艾里光束，圆皮尔斯光束在聚焦后不会产生震荡。这些特性使其在光学微操控领域具有巨大的潜力。
基于“光瓶”在应用方面的广泛前景，许多光学领域内的专家们尝试用不同的方法产生光学瓶，除了传统的相位调制，目前还有自成像、莫尔条纹、傅里叶空间产生法等。但从目前的技术来看，产生的光瓶种类多数为单个沿轴光瓶，即光瓶在光轴上生成，即便是轴外光瓶，也存在光瓶离轴程度较小且可调参数较少的问题，从而为应用带来一定的困难。
发明内容
有签于此，为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种产生高可控性离轴光学瓶的方法及系统，在粒子捕获及操纵方面更加高效，且自由度高。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一方面，本发明提供一种产生高可控性离轴光学瓶的方法，包括如下步骤：
使用计算机模拟平面波与圆皮尔斯高斯光束干涉，获得相位全息图，并将相位全息图加载至反射式空间光调制器S1上；
根据光学参数，在计算机上绘制复合二阶啁啾涡旋相位，并将其加载至透射式空间光调制器S2上；
用高斯光束照射反射式空间光调制器S1，使反射光通过空间滤波系统，并在空间滤波系统中选取正一级条纹，获得圆皮尔斯高斯光束；
使圆皮尔斯高斯光束穿过透射式空间光调制器S2，获得经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束，使其在真空或无干扰的空气中传输，即可在传输过程中形成多次较强的聚焦，从而形成离轴光学瓶。
进一步地，圆皮尔斯高斯光束的具体调制为：
圆皮尔斯高斯光束在初始平面的解析式为：
Figure GDA0003428968500000021
其中，
Figure GDA0003428968500000022
Figure GDA0003428968500000031
定义为皮尔斯积分，x0为含量纲缩放因子，w0为高斯束宽；在计算机中模拟圆皮尔斯高斯光束与平面波进行干涉，获得相位全息图，并将该相位全息图加载至反射式空间光调制器S1上，用所述高斯光束进行照射，经空间滤波系统滤波后的出射光即为圆皮尔斯高斯光束。
进一步地，圆皮尔斯高斯光束经复合二阶啁啾涡旋相位调制具体为：
复合二阶啁啾涡旋相位的解析表达式为：
Figure GDA0003428968500000032
其中，ci为二阶啁啾因子，li为涡旋阶数，(xi,yi)为位移因子，N为二阶啁啾涡旋相位数量，且(xi,yi)满足条件：xi＝c1x1/ci,yi＝c1y1/ci；则圆皮尔斯高斯光束透过透射式空间光调制器S2后的解析表达式为：
Figure GDA0003428968500000033
在数学中，经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束在自由空间的传播特性可由以柱坐标形式表示的傍轴波动方程表达：
Figure GDA0003428968500000034
为波数，λ为波长；在计算机上绘制复合二阶啁啾涡旋相位，并将其加载至透射式空间光调制器S2上，并使圆皮尔斯高斯光束入射，出射光即为经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束。
进一步地，通过调节初始光场的参数和改变透射式空间光调制器S2上的复合二阶啁啾涡旋相位，即可实现对离轴光学瓶的位置、形状及数量的连续调控：
涡旋因子li：调节各个光学瓶瓶口或瓶底的大小，li越大，则产生的光学瓶的瓶口越宽；
啁啾位移因子(xi,yi)：调节离轴光束偏离光轴的程度，从而控制离轴光学瓶在空间中的位置；若(xi,yi)＝(0,0)，则光学瓶在光轴上生成，为沿轴光学瓶；
二阶啁啾因子ci：调节离轴光学瓶的瓶口和瓶底与初始平面的距离，及各个离轴光学瓶的长度；
二阶啁啾涡旋相位数量N：调节离轴光学瓶的数量，当存在N个啁啾相位因子，则可以产生N-1个光学瓶。
进一步地，所述空间滤波系统包括透镜L1、光阑和透镜L2；其中输入光场经过透镜L1进行傅里叶变换得到频谱面，光阑用于选取频谱面中的正一级干涉条纹，再经过透镜L2进行逆傅里叶变换，得到输出光场，即圆皮尔斯高斯光束。
另一方面，本发明提供一种产生高可控性离轴光学瓶的系统，包括：
计算机，用于模拟平面波与圆皮尔斯高斯光束干涉，获得相位全息图，并将相位全息图加载至反射式空间光调制器S1上；根据光学参数绘制复合二阶啁啾涡旋相位，并将其加载至透射式空间光调制器S2上；
激光器，用于产生高斯光束；
反射式空间光调制器S1，设置在所述高斯光束的传输路径上，用于加载相位全息图；
空间滤波系统，用于接收经反射式空间光调制器S1反射的光束，选取输入光场的频谱面的正一级条纹，并在空间滤波系统出口焦平面处得到所述圆皮尔斯高斯光束；
透射式空间光调制器S2，设置在空间滤波系统出口焦平面处，用于加载复合二阶啁啾涡旋相位；且可同时进行振幅及相位调制，根据所述复合二阶啁啾涡旋相位和所述圆皮尔斯高斯光束，得到经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束，使其在真空或无干扰的空气中传输，即可在传输过程中形成多次较强的聚焦，从而形成离轴光学瓶；
光束质量分析仪，设置于透射式空间光调制器S2后，用于收集光束横截面信息。
进一步地，所述产生高可控性离轴光学瓶的系统还包括扩束镜，设置于激光器的出射口处，用于将所述高斯光束扩束为近似平面波。
进一步地，所述产生高可控性离轴光学瓶的系统还包括非偏振分束镜，设置于扩束镜与反射式空间光调制器S1之间，用于对扩束后的高斯光束进行分光处理；一部分传输至所述反射式空间光调制器S1后继续传播。
进一步地，所述空间滤波系统包括透镜L1、光阑和透镜L2；其中输入光场经过透镜L1进行傅里叶变换得到频谱面，光阑用于选取频谱面中的正一级干涉条纹，再经过透镜L2进行逆傅里叶变换，得到输出光场，即圆皮尔斯高斯光束。
进一步地，所述激光器为氦氖激光器，产生高斯光束波长为632.8nm；所述非偏振分束镜是分光比为1：1的非偏振分束镜；所述光束质量分析仪的分辨率为2400×2400，用于获取光束横截面的光强分布；反射式空间光调制器S1、激光器、扩束镜与非偏振分束镜设置在同一轴线上；非偏振分束镜、空间滤波系统与透射式空间光调制器S2设置在同一轴线上。
相比于现有的技术，本发明的有益效果至少包括：
本发明提供一种产生高可控性离轴光学瓶的系统，该系统结构简单，产生的光学瓶离轴程度较高，可控性强，且无需重新加载相位全息图或对空间滤波器中的正一级条纹重新进行选取，仅需改变透射式空间光调制器S2上的加载的复合二阶啁啾涡旋相位，就可实现对光学瓶的快速调整，这同时实现了对离轴光学瓶的连续调控。综合来说，本发明在粒子捕获及操纵方面更加高效，且自由度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明产生高可控性离轴光学瓶的方法的流程图；
图2是本发明产生高可控性离轴光学瓶的系统的结构图；
图3是实施例一与实施例二中加载在反射式空间光调制器S1的相位全息图；
图4为复合二阶啁啾涡旋相位对圆皮尔斯高斯光束进行振幅调制的示意图；(a1)为圆皮尔斯高斯光束的振幅分布；(a2)为复合二阶啁啾涡旋相位的振幅分布；(a3)为经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束的振幅分布；
图5为复合二阶啁啾涡旋相位对圆皮尔斯高斯光束进行相位调制的示意图；(a1)为圆皮尔斯高斯光束的相位分布；(a2)为复合二阶啁啾涡旋相位的相位分布；(a3)为经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束的相位分布；
图6为本申请具体实施例一的示意图；(a)为光束某一Z-X平面的光场分布图。(b1)-(b4)分别为光束在初始平面，瓶口，瓶身与瓶底的横向截面图；
图7为本申请具体实施例二的示意图；(a)为光束某一Z-X平面的光场分布图；(b1)-(b4)分别为光束在初始平面，以及其中一个光瓶的瓶口，瓶身与瓶底的横向截面图；
图8(a1)为实施例一中加载在透射式空间光调制器S2上的复合二阶啁啾涡旋相位的振幅分布；(a2)为实施例一中加载在透射式空间光调制器S2上的复合二阶啁啾涡旋相位的相位分布；(b1)为实施例二中加载在透射式空间光调制器S2上的复合二阶啁啾涡旋相位的振幅分布；(b2)为实施例二中加载在透射式空间光调制器S2上的复合二阶啁啾涡旋相位的相位分布。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体说明书的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例子仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种产生高可控性离轴光学瓶的方法，包括如下步骤：
S01、使用计算机模拟平面波与圆皮尔斯高斯光束干涉，获得相位全息图，并将相位全息图加载至反射式空间光调制器S1上；
S02、根据光学参数，在计算机上绘制复合二阶啁啾涡旋相位，并将其加载至透射式空间光调制器S2上；
S03、用高斯光束照射反射式空间光调制器S1，使反射光通过空间滤波系统，并在空间滤波系统中选取正一级条纹，获得圆皮尔斯高斯光束；
S04、使圆皮尔斯高斯光束穿过透射式空间光调制器S2，获得经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束，使其在真空或无干扰的空气中传输，即可在传输过程中形成多次较强的聚焦，从而形成离轴光学瓶。
如图2所示，本发明提供一种产生高可控性离轴光学瓶的系统，包括计算机、氦氖激光器、扩束镜、非偏振分束镜、反射式空间光调制器S1、空间滤波系统、透射式空间光调制器S2和光束质量分析仪；
所述计算机用于模拟平面波与圆皮尔斯高斯光束干涉，获得相位全息图，并将相位全息图加载至反射式空间光调制器S1上；根据光学参数绘制复合二阶啁啾涡旋相位，并将其加载至透射式空间光调制器S2上；
所述氦氖激光器用于产生高斯光束；氦氖激光器产生高斯光束波长为632.8nm；
所述扩束镜设置于激光器的出射口处，用于将所述高斯光束扩束为近似平面波；
所述非偏振分束镜设置于扩束镜与反射式空间光调制器S1之间，用于对扩束后的高斯光束进行分光处理，一部分传输至所述反射式空间光调制器S1后继续传播；非偏振分束镜是分光比为1：1；
所述反射式空间光调制器S1设置在所述高斯光束的传输路径上，用于加载相位全息图；
所述空间滤波系统用于接收经反射式空间光调制器S1反射的光束，选取输入光场的频谱面的正一级条纹，并在空间滤波系统出口焦平面处得到所述圆皮尔斯高斯光束；
所述透射式空间光调制器S2设置在空间滤波系统出口焦平面处，用于加载复合二阶啁啾涡旋相位；且可同时进行振幅及相位调制，根据所述复合二阶啁啾涡旋相位和所述圆皮尔斯高斯光束，得到经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束，使其在真空或无干扰的空气中传输，即可在传输过程中形成多次较强的聚焦，从而形成离轴光学瓶；
所述光束质量分析仪设置于透射式空间光调制器S2后，用于收集光束横截面信息；光束质量分析仪的分辨率为2400×2400，获取光束横截面的光强分布。
具体地，所述空间滤波系统包括透镜L1、光阑和透镜L2；其中输入光场经过透镜L1进行傅里叶变换得到频谱面，光阑用于选取频谱面中的正一级干涉条纹，再经过透镜L2进行逆傅里叶变换，得到输出光场，即圆皮尔斯高斯光束。
反射式空间光调制器S1、激光器、扩束镜与非偏振分束镜设置在同一轴线上；非偏振分束镜、空间滤波系统与透射式空间光调制器S2设置在同一轴线上。需要说明的是，本发明经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束的具体调制均为：
圆皮尔斯高斯光束在初始平面的解析式为：
Figure GDA0003428968500000101
其中，
Figure GDA0003428968500000102
Figure GDA0003428968500000103
定义为皮尔斯积分，x0为含量纲缩放因子，w0为高斯束宽。通过计算机模拟圆皮尔斯高斯光束与平面波进行干涉，获得相位全息图，并将该相位全息图加载至反射式空间光调制器S1上，用所述高斯光束进行照射，经空间滤波系统滤波后的出射光即为圆皮尔斯高斯光束。
加载至反射式空间光调制器S1上的相位全息图如图3所示。
需要说明的是，本发明所述的圆皮尔斯高斯光束受复合二阶啁啾涡旋相位调制的具体过程均为：
复合二阶啁啾涡旋相位的解析表达式为：
Figure GDA0003428968500000111
其中，ci为二阶啁啾因子，li为涡旋阶数，(xi,yi)为位移因子，N为二阶啁啾涡旋相位数量，且(xi,yi)满足条件：xi＝c1x1/ci,yi＝c1y1/ci；则圆皮尔斯高斯光束透过透射式空间光调制器S2后的解析表达式为：
Figure GDA0003428968500000112
在数学中，经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束在自由空间的传播特性可由以柱坐标形式表示的傍轴波动方程表达：
Figure GDA0003428968500000113
为波数，λ为波长。在计算机上绘制复合二阶啁啾涡旋相位，并将其加载至透射式空间光调制器S2上，并使圆皮尔斯高斯光束入射，出射光即为经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束。
加载在透射式空间光调制器S2上的复合二阶啁啾涡旋相位对圆皮尔斯高斯光束的调制如图4、图5所示。
本发明通过调节初始光场的参数和改变透射式空间光调制器S2上的复合二阶啁啾涡旋相位，即可实现对离轴光学瓶的位置、形状及数量的连续调控：
涡旋因子li：调节各个光学瓶瓶口或瓶底的大小，li越大，则产生的光学瓶的瓶口越宽；
啁啾位移因子(xi,yi)：调节离轴光束偏离光轴的程度，从而控制离轴光学瓶在空间中的位置；若(xi,yi)＝(0,0)，则光学瓶在光轴上生成，为沿轴光学瓶；
二阶啁啾因子ci：调节离轴光学瓶的瓶口和瓶底与初始平面的距离，及各个离轴光学瓶的长度。
二阶啁啾涡旋相位数量N：调节离轴光学瓶的数量，当存在N个啁啾相位因子，则可以产生N-1个光学瓶。
实施例一
实施例一与图6吻合，在此条件下的经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束能在自由空间中稳定地产生距离初始平面较远，距光轴较近，且瓶底较宽，瓶口较窄，瓶身较长的离轴光学瓶。
S01、使用计算机模拟平面波与圆皮尔斯高斯光束干涉，获得相位全息图，并将相位全息图加载至反射式空间光调制器S1上。
S02、根据光学参数，在计算机上绘制复合二阶啁啾涡旋相位(N＝2，l1＝3，l2＝3，c1＝0.35，c2＝0.25，(x1,y1)＝(0.0011，0))，并将其加载至透射式空间光调制器S2上，复合二阶啁啾涡旋相位如图8(a1)、8(a2)所示。
S03、用光束照射反射式空间光调制器S1，使反射光通过空间滤波系统，并在空间滤波系统中选取正一级条纹，获得圆皮尔斯高斯光束；
S04、使圆皮尔斯高斯光束穿过透射式空间光调制器S2，获得经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束，使其在真空或无干扰的空气中传输，即可在传输过程中形成多次较强的聚焦，从而形成离轴光学瓶。
该实施例一的所有相应参数与图6的参数一致。
其余参数设置：x0＝0.15mm，w0＝4mm。
实施例二
实施例二与图7吻合，在此条件下的经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束能在自由空间中稳定地产生距离初始平面较近，距光轴较远，且瓶底较窄，瓶口较宽，瓶身较长的离轴光学瓶。
S01、使用计算机模拟平面波与圆皮尔斯高斯光束干涉，获得相位全息图，并将相位全息图加载至反射式空间光调制器S1上。
S02、根据光学参数，在计算机上绘制复合二阶啁啾涡旋相位(N＝3，l1＝2，l2＝2，l3＝2，c1＝0.35，c2＝0.25，c3＝0.18，(x1,y1)＝(0.0005，0))，并将其加载至透射式空间光调制器S2上，复合二阶啁啾涡旋相位如图8(b1)、8(b2)所示。
S03、用光束照射反射式空间光调制器S1，使反射光通过空间滤波系统，并在空间滤波系统中选取正一级条纹，获得圆皮尔斯高斯光束；
S04、使圆皮尔斯高斯光束穿过透射式空间光调制器S2，获得经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束，使其在真空或无干扰的空气中传输，即可在传输过程中形成多次较强的聚焦，从而形成离轴光学瓶。
该实施例二的所有相应参数与图7的参数一致。
其余参数设置：x0＝0.15mm，w0＝4mm。
本发明将圆皮尔斯光束、二阶啁啾、涡旋、相结合，使得光束在传播过程中能自发地产生离轴光学瓶。
本发明采用了一个反射式空间光调制器以及一个透射式空间光调制器来产生离轴光学瓶，并采用透射式空间光调制器来改变离轴光学瓶的参数，无需改变反射式空间光调制器上相位全息图及在空间滤波器中重新选取条纹，提高了效率，很好的控制光束的发生以及产生离轴光学瓶的形状，使对离轴光瓶的连续调控成为可能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种产生高可控性离轴光学瓶的方法，其特征在于，包括如下步骤：
使用计算机模拟平面波与圆皮尔斯高斯光束干涉，获得相位全息图，并将相位全息图加载至反射式空间光调制器S1上；
根据光学参数，在计算机上绘制复合二阶啁啾涡旋相位，并将其加载至透射式空间光调制器S2上；
用高斯光束照射反射式空间光调制器S1，使反射光通过空间滤波系统，并在空间滤波系统中选取正一级条纹，获得圆皮尔斯高斯光束；
使圆皮尔斯高斯光束穿过透射式空间光调制器S2，获得经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束，使其在真空或无干扰的空气中传输，即可在传输过程中形成多次较强的聚焦，从而形成离轴光学瓶。
2.根据权利要求1所述的产生高可控性离轴光学瓶的方法，其特征在于，圆皮尔斯高斯光束的具体调制为：
圆皮尔斯高斯光束在初始平面的解析式为：
Figure FDA0003428968490000011
其中，
Figure FDA0003428968490000012
Figure FDA0003428968490000013
定义为皮尔斯积分，x0为含量纲缩放因子，w0为高斯束宽；在计算机中模拟圆皮尔斯高斯光束与平面波进行干涉，获得相位全息图，并将该相位全息图加载至反射式空间光调制器S1上，用所述高斯光束进行照射，经空间滤波系统滤波后的出射光即为圆皮尔斯高斯光束。
3.根据权利要求1所述的产生高可控性离轴光学瓶的方法，其特征在于，圆皮尔斯高斯光束经复合二阶啁啾涡旋相位调制具体为：
复合二阶啁啾涡旋相位的解析表达式为：
Figure FDA0003428968490000021
其中，ci为二阶啁啾因子，li为涡旋阶数，(xi,yi)为位移因子，N为二阶啁啾涡旋相位数量，且(xi,yi)满足条件：xi＝c1x1/ci,yi＝c1y1/ci；则圆皮尔斯高斯光束透过透射式空间光调制器S2后的解析表达式为：
Figure FDA0003428968490000022
x0为含量纲缩放因子，w0为高斯束宽；在数学中，经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束在自由空间的传播特性可由以柱坐标形式表示的傍轴波动方程表达：
Figure FDA0003428968490000023
Figure FDA0003428968490000024
为波数，λ为波长；在计算机上绘制复合二阶啁啾涡旋相位，并将其加载至透射式空间光调制器S2上，并使圆皮尔斯高斯光束入射，出射光即为经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束。
4.根据权利要求1所述的产生高可控性离轴光学瓶的方法，其特征在于，通过调节初始光场的参数和改变透射式空间光调制器S2上的复合二阶啁啾涡旋相位，即可实现对离轴光学瓶的位置、形状及数量的连续调控：
涡旋因子li：调节各个光学瓶瓶口或瓶底的大小，li越大，则产生的光学瓶的瓶口越宽；
啁啾位移因子(xi,yi)：调节离轴光束偏离光轴的程度，从而控制离轴光学瓶在空间中的位置；若(xi,yi)＝(0,0)，则光学瓶在光轴上生成，为沿轴光学瓶；
二阶啁啾因子ci：调节离轴光学瓶的瓶口和瓶底与初始平面的距离，及各个离轴光学瓶的长度；
二阶啁啾涡旋相位数量N：调节离轴光学瓶的数量，当存在N个啁啾相位因子，则可以产生N-1个光学瓶。
5.根据权利要求1所述的产生高可控性离轴光学瓶的方法，其特征在于，所述空间滤波系统包括透镜L1、光阑和透镜L2；其中输入光场经过透镜L1进行傅里叶变换得到频谱面，光阑用于选取频谱面中的正一级干涉条纹，再经过透镜L2进行逆傅里叶变换，得到输出光场，即圆皮尔斯高斯光束。
6.一种产生高可控性离轴光学瓶的系统，其特征在于，包括：
计算机，用于模拟平面波与圆皮尔斯高斯光束干涉，获得相位全息图，并将相位全息图加载至反射式空间光调制器S1上；根据光学参数绘制复合二阶啁啾涡旋相位，并将其加载至透射式空间光调制器S2上；
激光器，用于产生高斯光束；
反射式空间光调制器S1，设置在所述高斯光束的传输路径上，用于加载相位全息图；
空间滤波系统，用于接收经反射式空间光调制器S1反射的光束，选取输入光场的频谱面的正一级条纹，并在空间滤波系统出口焦平面处得到所述圆皮尔斯高斯光束；
透射式空间光调制器S2，设置在空间滤波系统出口焦平面处，用于加载复合二阶啁啾涡旋相位；且可同时进行振幅及相位调制，根据所述复合二阶啁啾涡旋相位和所述圆皮尔斯高斯光束，得到经复合二阶啁啾涡旋相位调制的圆皮尔斯高斯光束，使其在真空或无干扰的空气中传输，即可在传输过程中形成多次较强的聚焦，从而形成离轴光学瓶；
光束质量分析仪，设置于透射式空间光调制器S2后，用于收集光束横截面信息。
7.根据权利要求6所述的产生高可控性离轴光学瓶的系统，其特征在于，所述产生高可控性离轴光学瓶的系统还包括扩束镜，设置于激光器的出射口处，用于将所述高斯光束扩束为近似平面波。
8.根据权利要求7所述的产生高可控性离轴光学瓶的系统，其特征在于，所述产生高可控性离轴光学瓶的系统还包括非偏振分束镜，设置于扩束镜与反射式空间光调制器S1之间，用于对扩束后的高斯光束进行分光处理；一部分传输至所述反射式空间光调制器S1后继续传播。
9.根据权利要求6所述的产生高可控性离轴光学瓶的系统，其特征在于，所述空间滤波系统包括透镜L1、光阑和透镜L2；其中输入光场经过透镜L1进行傅里叶变换得到频谱面，光阑用于选取频谱面中的正一级干涉条纹，再经过透镜L2进行逆傅里叶变换，得到输出光场，即圆皮尔斯高斯光束。
10.根据权利要求8所述的产生高可控性离轴光学瓶的系统，其特征在于，所述激光器为氦氖激光器，产生高斯光束波长为632.8nm；所述非偏振分束镜是分光比为1：1的非偏振分束镜；所述光束质量分析仪的分辨率为2400×2400，用于获取光束横截面的光强分布；反射式空间光调制器S1、激光器、扩束镜与非偏振分束镜设置在同一轴线上；非偏振分束镜、空间滤波系统与透射式空间光调制器S2设置在同一轴线上。
CN202110489728.5A 2021-05-06 2021-05-06 一种产生高可控性离轴光学瓶的方法及系统 Active CN113406790B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110489728.5A CN113406790B (zh) 2021-05-06 2021-05-06 一种产生高可控性离轴光学瓶的方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110489728.5A CN113406790B (zh) 2021-05-06 2021-05-06 一种产生高可控性离轴光学瓶的方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113406790A CN113406790A (zh) 2021-09-17
CN113406790B true CN113406790B (zh) 2022-04-12

Family

ID=77677917

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110489728.5A Active CN113406790B (zh) 2021-05-06 2021-05-06 一种产生高可控性离轴光学瓶的方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113406790B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115291404B (zh) * 2022-07-18 2023-04-11 华南师范大学 控制对称皮尔斯高斯涡旋光束轨迹及聚焦的方法及系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104516111A (zh) * 2014-12-23 2015-04-15 钱义先 一种多艾里光束相干叠加合成的高能光瓶光束系统及方法
WO2016029147A1 (en) * 2014-08-22 2016-02-25 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for particle pulse modulation
CN106896498A (zh) * 2017-03-08 2017-06-27 华南师范大学 拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法
CN110376749A (zh) * 2019-07-19 2019-10-25 浙江师范大学 多层涡旋光束的产生方法及系统
CN111158156A (zh) * 2018-11-07 2020-05-15 浙江师范大学 环形艾里涡旋光束产生方法及系统
CN111856765A (zh) * 2020-07-31 2020-10-30 浙江师范大学 一种基于自加速光束的光笼光束产生系统
CN112147777A (zh) * 2020-08-26 2020-12-29 华南师范大学 一种产生多个离轴光学瓶的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016029147A1 (en) * 2014-08-22 2016-02-25 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for particle pulse modulation
CN104516111A (zh) * 2014-12-23 2015-04-15 钱义先 一种多艾里光束相干叠加合成的高能光瓶光束系统及方法
CN106896498A (zh) * 2017-03-08 2017-06-27 华南师范大学 拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法
CN111158156A (zh) * 2018-11-07 2020-05-15 浙江师范大学 环形艾里涡旋光束产生方法及系统
CN110376749A (zh) * 2019-07-19 2019-10-25 浙江师范大学 多层涡旋光束的产生方法及系统
CN111856765A (zh) * 2020-07-31 2020-10-30 浙江师范大学 一种基于自加速光束的光笼光束产生系统
CN112147777A (zh) * 2020-08-26 2020-12-29 华南师范大学 一种产生多个离轴光学瓶的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Propagation dynamics of autofocusing circle;CHAO SUN 等;《Optics Express》;20200102;第28卷(第1期);第325-333页 *
自加速光场和阵列光场的研究及在光捕获中的应用;刘伟伟;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（博士） 基础科学辑》;20170715(第7期);第17-24、51-61页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113406790A (zh) 2021-09-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Basistiy et al. Synthesis and analysis of optical vortices with fractional topological charges
Siemion Terahertz diffractive optics—smart control over radiation
Bouchal et al. Mixed vortex states of light as information carriers
JP4688866B2 (ja) 所望の３次元電磁気フィールドの生成
Piestun et al. Synthesis of three-dimensional light fields and applications
JP7184700B2 (ja) 分散測定装置、パルス光源、分散測定方法、および分散補償方法
CN113341561B (zh) 一种方向可控的弯曲光学瓶的制备方法及系统
CN113406790B (zh) 一种产生高可控性离轴光学瓶的方法及系统
CN214201971U (zh) 一种控制啁啾皮尔斯高斯涡旋光束聚焦深度和强度的系统
US6975458B1 (en) Method and apparatus for transformation of a gaussian laser beam to a far field diffraction pattern
CA2796200A1 (en) Quadratic measure eigenmodes
CN114578576B (zh) 一种旋角、旋速和聚焦可控的光学扳手的制备方法及系统
Orlov et al. Controllable spatial array of Bessel-like beams with independent axial intensity distributions for laser microprocessing
Bouchal et al. Selective excitation of vortex fibre modes using a spatial light modulator
Zheng et al. Investigation of Bessel beam propagation in scattering media with scalar diffraction method
CN214201945U (zh) 一种由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统
CN214540253U (zh) 一种在抛物折射率介质中产生厄米高斯涡旋光束的系统
CN104678675A (zh) 一种光学希尔伯特变换与微分运算系统
CN114488548B (zh) 一种高操作性光镊的产生方法及系统
CN215729157U (zh) 一种产生和调控对称燕尾光束的系统
CN216160393U (zh) 一种产生和调控自聚焦艾里光束捕获微粒的系统
Polyanskii Some current views on singular optics
Wong et al. Superdirectivity-based superoscillatory waveform design: a practical path to far-field sub-diffraction imaging
Ojeda‐Castañeda et al. Synthesis of 1‐D phase profiles with variable optical path
RU2785799C1 (ru) Способ формирования двухцветного кольцевого лазерного поля и устройство для его осуществления (варианты)

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant