CN115185097B - 一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置与方法，该装置包括由左至右依次设置的光源、光束扩展器、锥透镜系统、反射镜系统、光栅、分束器、圆形孔径、柱透镜以及第二空间光调制器；所述锥透镜系统包括由左至右依次设置的第一锥透镜以及第二锥透镜，所述反射镜系统包括由左至右依次设置的第一反射镜以及第二反射镜；在所述第一反射镜与所述第二反射镜的正下方设有第一空间光调制器，在所述分束器的正下方依次设有第一薄透镜、第二薄透镜以及CCD相机。本发明提出的装置，光路结构更为简单，易于实现，在实际应用中非常便利，同时具有更高的能量转换效率。

Description

一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置与方法
技术领域
本发明涉及物理光场技术领域，特别涉及一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置与方法。
背景技术
产生一种长距离稳定传输的非衍射波束一直是研究者们关注的热点。实际上，相对于连续波的无衍射光束，脉冲无衍射光束具有更大的应用价值。但是，无衍射脉冲光束在传输过程中，容易受到介质色散和空域衍射的影响，从而导致脉冲时间展宽，峰值功率降低。因此，迫切需要一种在时空域稳定传输不扩散的波包。
目前，存在多种在远距离传输后中心光斑保持不变的无衍射光束，包括贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束、马丢光束、高阶马丢光束、余弦光束、抛物线光束以及艾里光束。基于此，研究人员们将空间分布的贝塞尔光束和时间的艾里脉冲结合起来，从而构建了艾里-贝塞尔这样一类新奇的时空传输不展宽的局域波包，能在激光加工微粒操纵，显微成像等诸多应用领域发挥作用。因此，实现时空分布稳定的波包具有重要的应用价值，对于促进光学在信息、化学及材料中的交叉应用，并且开发新型多功能光子器件具有重要意义。
目前，已经提出了许多产生无衍射不扩散时空光场的方法：包括贝塞尔波包、贝塞尔涡旋波包以及贝塞尔-高斯波包等时空光场的实验产生。有限能量的无衍射贝塞尔时空光场的产生方法主要分为主动式与被动式两大类。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。例如，目前比较常用的谐振腔法；被动式则不改变激光器的结构，而是利用腔外界的光学元件对初始的激光束经行整形，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，主要方法包括环缝-透镜法，球面像差透镜法，计算全息法，轴棱锥镜法等。
在实际的光学系统中，由于光学元件有限光学系统的限制，只能得到近似的无衍射光束。由于理想的贝塞尔光束具有无穷大的横截面积，这在实验中是无法实现的，因为在实际应用中旨在产生近似的贝塞尔类无衍射时空光场。综合对比分析目前产生有关无衍射贝塞尔类时空光场的方法，虽然实现的方式各不相同，但是其中基本的原理相同：即基于轴锥透镜组合光学系统，产生无衍射的时空光场，所使用的光路结构简单，易于实现，而且这种方法能最大程度的提升激光的转换效率。
然而，轴锥透镜作为一个普通的光学透镜，对加工质量有较高的要求，成像质量以及能量转换效率在一定程度上取决于加工精度，在一定程度上会由于加工精度的限制进而影响成像质量以及能量转换效率。
发明内容
为此，本发明的实施例提出一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置与方法，以解决上述技术问题。
本发明提出一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置，其中，所述装置包括由左至右依次设置的光源、光束扩展器、锥透镜系统、反射镜系统、光栅、分束器、圆形孔径、柱透镜以及第二空间光调制器；
所述锥透镜系统包括由左至右依次设置的第一锥透镜以及第二锥透镜，所述反射镜系统包括由左至右依次设置的第一反射镜以及第二反射镜；
在所述第一反射镜与所述第二反射镜的正下方设有第一空间光调制器，在所述分束器的正下方依次设有第一薄透镜、第二薄透镜以及CCD相机；
其中，所述光源为脉冲激光器，用于产生一束圆偏振激光至所述光束扩展器上；
所述光束扩展器用于对光源发出的圆偏振激光进行扩束与准直；
所述锥透镜系统用于将入射到第一锥透镜入射面与第二锥透镜入射面的光波矢量旋转对称分布在第一锥透镜出射面与第二锥透镜出射面上；
所述第一反射镜用于将第二锥透镜出射的高斯光束反射至第一空间光调制器，并经调制后反射至所述第二反射镜；
所述第二反射镜用于接收所述第一空间光调制器发出的光波并反射至所述光栅；
所述分束器用于将光栅出射的脉冲平面波分成第一光波与第二光波，其中第一光波经圆形孔径依次进入所述柱透镜以及所述第二空间光调制器，并由第二空间光调制器进行相位调制，通过第二空间光调制器的屏幕反射依次通过柱透镜与圆形孔径，再由分束器进行反射，经第一薄透镜与第二薄透镜进入所述CCD相机，所述第二光波经第一薄透镜与第二薄透镜进入所述CCD相机；
所述第一空间光调制器与第二空间光调制器分别用于对入射光波施加立方涡旋相位掩模和立方相位掩模，并计算立方涡旋相位函数和立方相位函数；
所述CCD相机用于捕获目标时空光场的强度分布。
本发明提出一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置，具有如下优点：
（1）、通过使用双轴锥透镜，使得透过锥透镜系统的光波矢量精确地旋转对称分布在圆锥面上。这些波矢量与入射光角度相同，因此锥表面的平面波可以相干叠加形成贝塞尔光场。本发明提出的装置，光路结构更为简单，易于实现，在实际应用中非常便利，同时具有更高的能量转换效率，因此解决了以往方案能量损耗大，转换效率低，通用性差等缺点；
（2）、本发明中，利用反射式空间光调制器施加立方涡旋相位调控，建立一种全新的立方涡旋相位函数，通过计算机编码形成全息图，在实验中可以产生任意阶数的高阶贝塞尔-艾里光场；此外，通过调节相位膜片的控制参数进而控制出射光场的振幅强度、相位模式、角动量分布以及时空结构等，极大提升无衍射时空光场的可调性。
所述一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置，其中，所述圆偏振激光的脉冲持续时间为3ps，中心波长为1064nm，重复频率为32MHz，所述第一锥透镜的底角θ 1=1°与所述第二锥透镜的底角θ 2=2°。
所述一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置，其中，所述第一反射镜与所述第二反射镜的焦距均为500mm，所述第一空间光调制器与所述第二空间光调制器的像素尺寸为12μm×12μm，分辨率1920×1080pixels。
本发明还提出一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其中，应用如上所述的用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置实现，所述方法包括如下步骤：
步骤一，由脉冲激光器产生一束圆偏振激光投射至光束扩展器上，经光束扩展器对圆偏振激光进行扩束与准直，然后进入由第一锥透镜与第二锥透镜组成的锥透镜系统；
步骤二，经过锥透镜系统的高斯光束，进入由第一反射镜与第二反射镜组成的反射镜系统中，通过第一反射镜将第二锥透镜出射的高斯光束反射至第一空间光调制器，经调制后反射至第二反射镜得到脉冲平面波；
步骤三，脉冲平面波经光栅进行扩散，通过分束器将脉冲平面波分成第一光波与第二光波，其中第一光波经圆形孔径依次进入所述柱透镜以及所述第二空间光调制器，并由第二空间光调制器进行相位调制，通过第二空间光调制器的屏幕反射依次通过柱透镜与圆形孔径，再由分束器进行反射，经第一薄透镜与第二薄透镜进入所述CCD相机，所述第二光波经第一薄透镜与第二薄透镜进入所述CCD相机；
步骤四，通过所述CCD相机记录捕获目标时空光场的强度分布。
所述一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其中，在所述锥透镜系统中，所述第一锥透镜与所述第二锥透镜为由左向右依次设置，所述第一空间光调制器位于所述第一反射镜与所述第二反射镜的正下方，在所述分束器的正下方依次设有第一薄透镜、第二薄透镜以及CCD相机。
所述一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其中，在所述步骤二中，所述第一空间光调制器对应的相位掩模函数表示为：
Figure 527154DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 478929DEST_PATH_IMAGE002
表示第一空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 217078DEST_PATH_IMAGE003
表示虚数，
Figure 596107DEST_PATH_IMAGE004
表示立方相位项在x轴传播方向上的控制参数，
Figure 52496DEST_PATH_IMAGE005
表示立方相位项在y轴传播方向上的控制参数，
Figure 558695DEST_PATH_IMAGE006
表示反射镜的焦距，
Figure 151350DEST_PATH_IMAGE007
表示拓扑电荷，
Figure 966859DEST_PATH_IMAGE008
表示方位角，
Figure 379386DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 938544DEST_PATH_IMAGE010
表示x轴传播方向上对应的第一变量值，
Figure 136438DEST_PATH_IMAGE011
表示y轴传播方向上对应的第二变量值。
所述一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其中，在所述步骤三中，所述第二空间光调制器对应的相位掩模函数表示为：
Figure 122848DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 288251DEST_PATH_IMAGE013
表示第二空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 385520DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 687188DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 592302DEST_PATH_IMAGE016
表示频率，
Figure 979421DEST_PATH_IMAGE017
表示中心频率。
所述一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其中，在所述步骤一中，所述圆偏振激光对应的入射电场的函数表示为：
Figure 880381DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 302135DEST_PATH_IMAGE019
表示圆偏振激光对应的入射电场，
Figure 364769DEST_PATH_IMAGE020
表示x轴传播方向的矢量，
Figure 504764DEST_PATH_IMAGE021
表示y轴传播方向的矢量，
Figure 428988DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 970828DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 204363DEST_PATH_IMAGE024
表示x轴方向的初始坐标值，
Figure 831654DEST_PATH_IMAGE025
表示y轴方向的初始坐标值；
圆偏振激光对应的高斯脉冲的频谱带宽
Figure 808837DEST_PATH_IMAGE026
，脉冲时间
Figure 205183DEST_PATH_IMAGE027
，中心波长为1064nm，
Figure 625932DEST_PATH_IMAGE028
表示第n个频率。
所述一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其中，圆偏振激光的时间依赖性公式表示为：
Figure 209360DEST_PATH_IMAGE029
其中，
Figure 990234DEST_PATH_IMAGE030
表示圆偏振激光的时间依赖性，
Figure 506666DEST_PATH_IMAGE031
表示入射场的振幅，
Figure 82004DEST_PATH_IMAGE032
表示入射场的相位，
Figure 169040DEST_PATH_IMAGE033
表示初始的短脉冲，
Figure 488025DEST_PATH_IMAGE034
表示时间，
Figure 858964DEST_PATH_IMAGE035
表示入射场的传输距离。
所述一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其中，入射电场的横向衍射场的分布由两次二维傅里叶变换以及一次立方涡旋相位调制获得，入射电场的横向衍射场表示为：
Figure 605203DEST_PATH_IMAGE036
Figure 694382DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 551479DEST_PATH_IMAGE038
表示入射电场的横向衍射场，
Figure 796166DEST_PATH_IMAGE039
表示傅里叶变换，
Figure 713306DEST_PATH_IMAGE040
表示在初始平面上入射场的振幅分布，
Figure 758622DEST_PATH_IMAGE041
表示相位掩模函数，
Figure 684990DEST_PATH_IMAGE042
表示积分函数，
Figure 764942DEST_PATH_IMAGE043
表示经傅里叶变换之后的场振幅函数，
Figure 869295DEST_PATH_IMAGE044
表示相位波前，
Figure 401908DEST_PATH_IMAGE045
表示极坐标系中衍射场的径向分量，
Figure 866387DEST_PATH_IMAGE046
表示极坐标系中衍射场的角分向量，
Figure 66424DEST_PATH_IMAGE047
表示在极坐标系中入射场的径向分量，
Figure 325367DEST_PATH_IMAGE048
表示方位角，
Figure 610855DEST_PATH_IMAGE049
表示在极坐标系中入射场的初始径向，
Figure 629758DEST_PATH_IMAGE050
表示在极坐标系中入射场的初始方位角，
Figure 418722DEST_PATH_IMAGE051
表示n阶贝塞尔函数。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。
附图说明
本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明提出的用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。
轴锥透镜作为一个普通的光学透镜，对加工质量有较高的要求，成像质量以及能量转换效率在一定程度上取决于加工精度，在一定程度上会由于加工精度的限制进而影响成像质量以及能量转换效率。
本发明目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提出了一种更为简单有效的方案，搭建了一套将轴锥透镜与空间光调制器相结合的新型数字化光学系统。以确保在提升能量转换效率且保证成像效率的同时，尽可能简化系统的结构，并且增强集成度与可调性。因此，本发明提出一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置与方法。
具体的，请参阅图1，本发明提出一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置，其中，所述装置包括由左至右依次设置的光源Laser、光束扩展器BE、锥透镜系统、反射镜系统、光栅G、分束器BS、圆形孔径CA、柱透镜CL以及第二空间光调制器SLM2。
具体的，上述的锥透镜系统包括由左至右依次设置的第一锥透镜Ax1以及第二锥透镜Ax2。此外，反射镜系统包括由左至右依次设置的第一反射镜RM1以及第二反射镜镜RM2。
在第一反射镜RM1与第二反射镜RM2的正下方设有第一空间光调制器SLM1，在分束器BS的正下方依次设有第一薄透镜L1、第二薄透镜L2以及CCD相机。
在本发明中，光源Laser为脉冲激光器，用于产生一束圆偏振激光至所述光束扩展器上；
光束扩展器BE用于对光源Laser发出的圆偏振激光进行扩束与准直；
锥透镜系统用于将入射到第一锥透镜Ax1的入射面与第二锥透镜Ax2的入射面的光波矢量旋转对称分布在第一锥透镜出射面与第二锥透镜出射面上；
第一反射镜RM1用于将第二锥透镜Ax2出射的高斯光束反射至第一空间光调制器SLM1，并经调制后反射至第二反射镜RM2；
第二反射镜RM2用于接收所述第一空间光调制器SLM1发出的光波并反射至光栅G；
分束器BS用于将光栅G出射的脉冲平面波分成第一光波与第二光波，其中第一光波经圆形孔径CA依次进入所述柱透镜CL以及第二空间光调制器SLM2，并由第二空间光调制器SLM2进行相位调制，通过第二空间光调制器SLM2的屏幕反射依次通过柱透镜CL与圆形孔径CA，再由分束器BS进行反射，经第一薄透镜L1与第二薄透镜L2进入CCD相机；所述第二光波经第一薄透镜L1与第二薄透镜L2进入CCD相机。在此需要补充说明的是，第一空间光调制器SLM1与第二空间光调制器SLM2分别用于对入射光波施加立方涡旋相位掩模和立方相位掩模，并计算立方涡旋相位函数和立方相位函数；
CCD相机用于捕获目标时空光场的强度分布。
本发明还提出一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其中，应用如上所述的用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置实现，所述方法包括如下步骤：
步骤一，由脉冲激光器产生一束圆偏振激光投射至光束扩展器上，经光束扩展器对圆偏振激光进行扩束与准直，然后进入由第一锥透镜与第二锥透镜组成的锥透镜系统。
具体的，在上述锥透镜系统中，第一锥透镜与第二锥透镜为由左向右依次设置。其中，第一空间光调制器位于第一反射镜与第二反射镜的正下方，在分束器的正下方依次设有第一薄透镜、第二薄透镜以及CCD相机。
在本实施例中，第一反射镜的焦距f1与第二反射镜的焦距f2均为500mm。第一空间光调制器与第二空间光调制器的像素尺寸为12μm×12μm，分辨率为1920×1080pixels。此外，请参阅图1，第二反射镜RM2与光栅G之间的焦距f3为190mm，光束扩展器BE与圆形孔径CA之间的焦距f4为500mm，圆形孔径CA与柱透镜CL之间的焦距f5为500mm，柱透镜CL与第二空间光调制器SLM2之间的焦距f6 为150mm。第一薄透镜L1的焦距f8为70mm，第二薄透镜L2的焦距f9为100mm。
对上述的圆偏振激光而言，圆偏振激光的脉冲持续时间为3ps，中心波长为1064nm，重复频率为32MHz。此外，第一锥透镜的底角θ 1=1°，第二锥透镜的底角θ 2=2°。
圆偏振激光对应的入射电场的函数表示为：
Figure 114146DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 621350DEST_PATH_IMAGE019
表示圆偏振激光对应的入射电场，
Figure 693212DEST_PATH_IMAGE020
表示x轴传播方向的矢量，
Figure 336682DEST_PATH_IMAGE021
表示y轴传播方向的矢量，
Figure 219319DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 948241DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 823793DEST_PATH_IMAGE024
表示x轴方向的初始坐标值，
Figure 321770DEST_PATH_IMAGE025
表示y轴方向的初始坐标值。
此外，圆偏振激光对应的高斯脉冲的频谱带宽
Figure 358996DEST_PATH_IMAGE026
，脉冲时间
Figure 588596DEST_PATH_IMAGE027
，中心波长为1064nm，
Figure 736681DEST_PATH_IMAGE028
表示第n个频率。
在初始条件下，用
Figure 620323DEST_PATH_IMAGE030
描述波场的时间依赖性。具体的，圆偏振激光的时间依赖性公式表示为：
Figure 828450DEST_PATH_IMAGE029
其中，
Figure 797543DEST_PATH_IMAGE030
表示圆偏振激光的时间依赖性，
Figure 749319DEST_PATH_IMAGE031
表示入射场的振幅，
Figure 238200DEST_PATH_IMAGE032
表示入射场的相位，
Figure 617229DEST_PATH_IMAGE033
表示初始的短脉冲，
Figure 73618DEST_PATH_IMAGE034
表示时间，
Figure 563505DEST_PATH_IMAGE035
表示入射场的传输距离。
此外，入射电场的横向衍射场的分布由两次二维傅里叶变换以及一次立方涡旋相位调制获得，入射电场的横向衍射场表示为：
Figure 156161DEST_PATH_IMAGE036
Figure 456823DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 134929DEST_PATH_IMAGE038
表示入射电场的横向衍射场，
Figure 694086DEST_PATH_IMAGE039
表示傅里叶变换，
Figure 406827DEST_PATH_IMAGE040
表示在初始平面上入射场的振幅分布，
Figure 127659DEST_PATH_IMAGE041
表示相位掩模函数，
Figure 27482DEST_PATH_IMAGE042
表示积分函数，
Figure 875483DEST_PATH_IMAGE043
表示经傅里叶变换之后的场振幅函数，
Figure 442731DEST_PATH_IMAGE044
表示相位波前，
Figure 600042DEST_PATH_IMAGE045
表示极坐标系中衍射场的径向分量，
Figure 987161DEST_PATH_IMAGE046
表示极坐标系中衍射场的角分向量，
Figure 622542DEST_PATH_IMAGE047
表示在极坐标系中入射场的径向分量，
Figure 75256DEST_PATH_IMAGE048
表示方位角，
Figure 137890DEST_PATH_IMAGE049
表示在极坐标系中入射场的初始径向，
Figure 277885DEST_PATH_IMAGE050
表示在极坐标系中入射场的初始方位角，
Figure 451377DEST_PATH_IMAGE051
表示n阶贝塞尔函数。
步骤二，经过锥透镜系统的高斯光束，进入由第一反射镜与第二反射镜组成的反射镜系统中，通过第一反射镜将第二锥透镜出射的高斯光束反射至第一空间光调制器，经调制后反射至第二反射镜得到脉冲平面波。
在步骤二中，第一空间光调制器对应的相位掩模函数表示为：
Figure 993217DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 226752DEST_PATH_IMAGE002
表示第一空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 604775DEST_PATH_IMAGE003
表示虚数，
Figure 581958DEST_PATH_IMAGE004
表示立方相位项在x轴传播方向上的控制参数，
Figure 978304DEST_PATH_IMAGE005
表示立方相位项在y轴传播方向上的控制参数，
Figure 382741DEST_PATH_IMAGE006
表示反射镜的焦距，
Figure 497327DEST_PATH_IMAGE007
表示拓扑电荷，
Figure 28934DEST_PATH_IMAGE008
表示方位角，
Figure 279787DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 855125DEST_PATH_IMAGE010
表示x轴传播方向上对应的第一变量值，
Figure 457007DEST_PATH_IMAGE011
表示y轴传播方向上对应的第二变量值。
步骤三，脉冲平面波经光栅进行扩散，通过分束器将脉冲平面波分成第一光波与第二光波，其中第一光波经圆形孔径依次进入所述柱透镜以及所述第二空间光调制器，并由第二空间光调制器进行相位调制，通过第二空间光调制器的屏幕反射依次通过柱透镜与圆形孔径，再由分束器进行反射，经第一薄透镜与第二薄透镜进入所述CCD相机，所述第二光波经第一薄透镜与第二薄透镜进入所述CCD相机。
在步骤三中，第二空间光调制器对应的相位掩模函数表示为：
Figure 775993DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 897664DEST_PATH_IMAGE013
表示第二空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 643903DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 733082DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 590179DEST_PATH_IMAGE016
表示频率，
Figure 815624DEST_PATH_IMAGE017
表示中心频率。
在此需要补充说明的是，经第二空间光调制器相位调控后，飞秒脉冲波包将按原路返回，经分束器反射到由第一薄透镜以及第二薄透镜组成的双透镜望远镜系统，补偿了二次光谱相位。
步骤四，通过所述CCD相机记录捕获目标时空光场的强度分布。
其中，CCD相机安装在一个平行于传播z轴的平行移动平台上，利用线性CCD相机记录了仅有的第一级次衍射光场在传播过程中的强度分布，然后实验数据被送往个人电脑进行后期处理。
本发明提出一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置，具有如下优点：
（1）、通过使用双轴锥透镜，使得透过锥透镜系统的光波矢量精确地旋转对称分布在圆锥面上。这些波矢量与入射光角度相同，因此锥表面的平面波可以相干叠加形成贝塞尔光场。本发明提出的装置，光路结构更为简单，易于实现，在实际应用中非常便利，同时具有更高的能量转换效率，因此解决了以往方案能量损耗大，转换效率低，通用性差等缺点；
（2）、本发明中，利用反射式空间光调制器施加立方涡旋相位调控，建立一种全新的立方涡旋相位函数，通过计算机编码形成全息图，在实验中可以产生任意阶数的高阶贝塞尔-艾里光场；此外，通过调节相位膜片的控制参数进而控制出射光场的振幅强度、相位模式、角动量分布以及时空结构等，极大提升无衍射时空光场的可调性。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置，其特征在于，所述装置包括由左至右依次设置的光源、光束扩展器、锥透镜系统、反射镜系统、光栅、分束器、圆形孔径、柱透镜以及第二空间光调制器；
所述锥透镜系统包括由左至右依次设置的第一锥透镜以及第二锥透镜，所述反射镜系统包括由左至右依次设置的第一反射镜以及第二反射镜；
在所述第一反射镜与所述第二反射镜的正下方设有第一空间光调制器，在所述分束器的正下方依次设有第一薄透镜、第二薄透镜以及CCD相机；
其中，所述光源为脉冲激光器，用于产生一束圆偏振激光至所述光束扩展器上；
所述光束扩展器用于对光源发出的圆偏振激光进行扩束与准直；
所述锥透镜系统用于将入射到第一锥透镜入射面与第二锥透镜入射面的光波矢量旋转对称分布在第一锥透镜出射面与第二锥透镜出射面上；
所述第一反射镜用于将第二锥透镜出射的高斯光束反射至第一空间光调制器，并经调制后反射至所述第二反射镜；
所述第二反射镜用于接收所述第一空间光调制器发出的光波并反射至所述光栅；
所述分束器用于将光栅出射的脉冲平面波分成第一光波与第二光波，其中第一光波经圆形孔径依次进入所述柱透镜以及所述第二空间光调制器，并由第二空间光调制器进行相位调制，通过第二空间光调制器的屏幕反射依次通过柱透镜与圆形孔径，再由分束器进行反射，经第一薄透镜与第二薄透镜进入所述CCD相机，所述第二光波经第一薄透镜与第二薄透镜进入所述CCD相机；
所述第一空间光调制器与第二空间光调制器分别用于对入射光波施加立方涡旋相位掩模和立方相位掩模，并计算立方涡旋相位函数和立方相位函数；
所述CCD相机用于捕获目标时空光场的强度分布；
所述第一空间光调制器对应的相位掩模函数表示为：
Figure 900119DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 565586DEST_PATH_IMAGE002
表示第一空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 851074DEST_PATH_IMAGE003
表示虚数，
Figure 509457DEST_PATH_IMAGE004
表示立方相位项在x轴传播方向上的控制参数，
Figure 564001DEST_PATH_IMAGE005
表示立方相位项在y轴传播方向上的控制参数，
Figure 134791DEST_PATH_IMAGE006
表示反射镜的焦距，
Figure 907575DEST_PATH_IMAGE007
表示拓扑电荷，
Figure 713857DEST_PATH_IMAGE008
表示方位角，
Figure 511655DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 518925DEST_PATH_IMAGE010
表示x轴传播方向上对应的第一变量值，
Figure 513426DEST_PATH_IMAGE011
表示y轴传播方向上对应的第二变量值；
所述第二空间光调制器对应的相位掩模函数表示为：
Figure 513612DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 11589DEST_PATH_IMAGE013
表示第二空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 455340DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 671558DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 85222DEST_PATH_IMAGE016
表示频率，
Figure 594963DEST_PATH_IMAGE017
表示中心频率。
2.根据权利要求1所述的一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置，其特征在于，所述圆偏振激光的脉冲持续时间为3ps，中心波长为1064nm，重复频率为32MHz，所述第一锥透镜的底角θ 1=1°与所述第二锥透镜的底角θ 2=2°。
3.根据权利要求2所述的一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置，其特征在于，所述第一反射镜与所述第二反射镜的焦距均为500mm，所述第一空间光调制器与所述第二空间光调制器的像素尺寸为12μm×12μm，分辨率1920×1080pixels。
4.一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其特征在于，应用如上述权利要求1至3任意一项所述的用于产生贝塞尔艾里时空光场的装置实现，所述方法包括如下步骤：
步骤一，由脉冲激光器产生一束圆偏振激光投射至光束扩展器上，经光束扩展器对圆偏振激光进行扩束与准直，然后进入由第一锥透镜与第二锥透镜组成的锥透镜系统；
步骤二，经过锥透镜系统的高斯光束，进入由第一反射镜与第二反射镜组成的反射镜系统中，通过第一反射镜将第二锥透镜出射的高斯光束反射至第一空间光调制器，经调制后反射至第二反射镜得到脉冲平面波；
步骤三，脉冲平面波经光栅进行扩散，通过分束器将脉冲平面波分成第一光波与第二光波，其中第一光波经圆形孔径依次进入所述柱透镜以及所述第二空间光调制器，并由第二空间光调制器进行相位调制，通过第二空间光调制器的屏幕反射依次通过柱透镜与圆形孔径，再由分束器进行反射，经第一薄透镜与第二薄透镜进入所述CCD相机，所述第二光波经第一薄透镜与第二薄透镜进入所述CCD相机；
步骤四，通过所述CCD相机记录捕获目标时空光场的强度分布。
5.根据权利要求4所述的一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其特征在于，在所述锥透镜系统中，所述第一锥透镜与所述第二锥透镜为由左向右依次设置，所述第一空间光调制器位于所述第一反射镜与所述第二反射镜的正下方，在所述分束器的正下方依次设有第一薄透镜、第二薄透镜以及CCD相机。
6.根据权利要求5所述的一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述圆偏振激光对应的入射电场的函数表示为：
Figure 68669DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 913129DEST_PATH_IMAGE019
表示圆偏振激光对应的入射电场，
Figure 130483DEST_PATH_IMAGE020
表示x轴传播方向的矢量，
Figure 993266DEST_PATH_IMAGE021
表示y轴传播方向的矢量，
Figure 637874DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 969629DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 725096DEST_PATH_IMAGE024
表示x轴方向的初始坐标值，
Figure 212359DEST_PATH_IMAGE025
表示y轴方向的初始坐标值；
圆偏振激光对应的高斯脉冲的频谱带宽
Figure 762289DEST_PATH_IMAGE026
，脉冲时间
Figure 581340DEST_PATH_IMAGE027
，中心波长为1064nm，
Figure 140497DEST_PATH_IMAGE028
表示第n个频率。
7.根据权利要求6所述的一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其特征在于，圆偏振激光的时间依赖性公式表示为：
Figure 712293DEST_PATH_IMAGE029
其中，
Figure 698704DEST_PATH_IMAGE030
表示圆偏振激光的时间依赖性，
Figure 5051DEST_PATH_IMAGE031
表示入射场的振幅，
Figure 102320DEST_PATH_IMAGE032
表示入射场的相位，
Figure 561246DEST_PATH_IMAGE033
表示初始的短脉冲，
Figure 452978DEST_PATH_IMAGE034
表示时间，
Figure 981043DEST_PATH_IMAGE035
表示入射场的传输距离。
8.根据权利要求7所述的一种用于产生贝塞尔艾里时空光场的方法，其特征在于，入射电场的横向衍射场的分布由两次二维傅里叶变换以及一次立方涡旋相位调制获得，入射电场的横向衍射场表示为：
Figure 882003DEST_PATH_IMAGE037
Figure 693970DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 22183DEST_PATH_IMAGE040
表示入射电场的横向衍射场，
Figure 37543DEST_PATH_IMAGE041
表示傅里叶变换，
Figure 476615DEST_PATH_IMAGE042
表示在初始平面上入射场的振幅分布，
Figure 641624DEST_PATH_IMAGE043
表示相位掩模函数，
Figure 140738DEST_PATH_IMAGE044
表示积分函数，
Figure 502449DEST_PATH_IMAGE045
表示经傅里叶变换之后的场振幅函数，
Figure 620578DEST_PATH_IMAGE046
表示相位波前，
Figure 16924DEST_PATH_IMAGE047
表示极坐标系中衍射场的径向分量，
Figure 811574DEST_PATH_IMAGE048
表示极坐标系中衍射场的角分向量，
Figure 926160DEST_PATH_IMAGE049
表示在极坐标系中入射场的径向分量，
Figure 847980DEST_PATH_IMAGE050
表示方位角，
Figure 98833DEST_PATH_IMAGE051
表示在极坐标系中入射场的初始径向，
Figure 565848DEST_PATH_IMAGE052
表示在极坐标系中入射场的初始方位角，
Figure 167731DEST_PATH_IMAGE053
表示n阶贝塞尔函数。
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