CN115774343A - 新型数字化艾里类光束的产生与调控装置及方法 - Google Patents

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CN115774343A CN202211702468.6A CN202211702468A CN115774343A CN 115774343 A CN115774343 A CN 115774343A CN 202211702468 A CN202211702468 A CN 202211702468A CN 115774343 A CN115774343 A CN 115774343A
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刘志荣
张强
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Abstract

本发明提供一种新型数字化艾里类光束的产生与调控装置及方法，该装置包括：光源、第一反射系统、薄透镜系统（第一薄透镜及第二薄透镜）、相位调制系统（第一空间光调制器及第二空间光调制器）、第二反射系统及观测系统；光源用于产生圆偏振激光，圆偏振激光依次经过第一反射系统、第一薄透镜、第一空间光调制器、第二薄透镜、第二空间光调制器及第二反射系统后生成艾里类光束；第一反射系统和第二反射系统用于对其入射光进行校准，第一薄透镜用于对其入射光进行傅里叶逆变换，第二薄透镜用于对其入射光进行傅里叶变换，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进行立方相位调制，观测系统用于捕获产生的艾里类光束的强度分布。

Description

新型数字化艾里类光束的产生与调控装置及方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种新型数字化艾里类光束的产生与调控装置及方法。
背景技术
艾里光束作为一种具有特殊的相位结构和偏振态的空间结构光场，在一定的传输距离内可以实现近似的无衍射和衰减，它具有三大特性，即无衍射，自加速和自修复。无衍射特性决定了艾里可以携带巨大的能量。自加速是指在自由空间中传输时，不同于一般光束沿着直线传播的特性，而是拥有抛物线的弹道轨迹。自修复，是指艾里光束在传播过程中，截面方向被遮挡一部分光束，剩余部分的艾里光束在经过一定距离的传输后，又恢复为在截面遮挡位置处的光强分布。艾里光束的这些特性使其可以携带大量数据，并进行快速准确地传递，并在传输过程中绕过一些普通光束无法穿透的障碍物，实现短距离的高质量传输。迄今为止，艾里光束的独特特性已被广泛应用在诸多领域，包括光学粒子清除、弯曲等离子体通道、时空光子弹、激光微处理和超分辨率成像等，推动无衍射、自加速光的研究成为一项前沿课题。
现有的艾里光束的产生方法主要是基于空间光调制器在全相位模式中产生艾里光束。理论上分析，将数值模拟的透镜相分布以及立方相分布直接加载到空间光调制器上，由包含两个偏振片之间的透射组成的系统可以创建具有负值的传输函数，观察结果就有可能在传输函数需要负值的情况下用于其他各种波前调制，从而在透镜的焦平面处产生艾里光束。艾里光束的调控与测量主要是基于多坐标变换技术，为艾里光束的不同组成光束建立了额外的坐标系，实现了复合光场的拆解。然后依次对一维艾里光束、二维艾里光束进行了极坐标系、直角坐标系和椭圆坐标系之间的变换，实现了艾里光束横向和纵向旁瓣的调控。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种新型数字化艾里类光束的产生与调控装置及方法，以至少解决上述相关技术中的不足。
本发明提出一种新型数字化艾里类光束的产生与调控装置，包括光源、第一反射系统、薄透镜系统、相位调制系统、第二反射系统以及观测系统；
所述薄透镜系统包括第一薄透镜以及第二薄透镜，所述相位调制系统包括第一空间光调制器以及第二空间光调制器，所述光源用于产生圆偏振激光，所述圆偏振激光依次经过所述第一反射系统、所述第一薄透镜、所述第一空间光调制器、所述第二薄透镜、所述第二空间光调制器以及所述第二反射系统后生成艾里类光束；
其中，所述第一反射系统和所述第二反射系统用于对其入射光进行校准，所述第一薄透镜用于对其入射光进行傅里叶逆变换，所述第二薄透镜用于对其入射光进行傅里叶变换，所述第一空间光调制器与所述第二空间光调制器分别用于对入射光波进行立方相位调制，所述观测系统用于捕获所产生的所述艾里类光束的强度分布。
进一步的，在所述光源与所述第一反射系统之间设有光束扩展器，所述光束扩展器用于对所述光源所产生的圆偏振激光进行扩束与准直。
进一步的，在所述第二反射系统与所述第三空间光调制器之间设有分束器，所述相位调制系统还包括第三空间光调制器，所述分束器用于将激光束分成第一光波与第二光波，所述第三空间光调制器用于对所述第一光波进行频谱分析，并将所述分析结果输出至所述观测系统，所述观测系统用于捕捉所述第二光波。
进一步的，所述第一空间光调制器与所述光束扩展器以及所述第一薄透镜和所述第二薄透镜之间均设有圆形孔径，所述圆形孔径用于调节其入射光的能量分布。
进一步的，所述观测系统包括CCD相机，所述CCD相机安装于平行移动平台上，所述平行移动平台与光束的传播Z轴平行，所述CCD相机通过所述平行移动平台实现沿光束的传播光轴移动。
本发明还提出一种数字化艾里类光束的产生与调控方法，应用于上述的数字化艾里类光束的产生与调控装置，所述数字化艾里类光束的产生与调控方法包括以下步骤：
步骤一：对所述光源发出的圆偏振激光进行扩束，以得到扩束激光；
步骤二：对所述扩束激光进行一次能量分布调节，并将一次能量分布调节后的光束照射在所述第一反射镜上进行校准，将校准后的光束入射至所述第一空间光调制器上，以使所述第一空间光调制器对所述校准后的光束进行立方相位调制；
步骤三：将立方相位调制后的光束反射至所述第一薄透镜进行傅里叶逆变换，并对傅里叶逆变换后的光束进行二次能量分布调节后入射至所述第二空间光调制器，以使所述第二空间光调制器对二次能量分布调节后的光束进行螺旋相位调制；
步骤四：将螺旋相位调制后的光束射入所述第二薄透镜进行傅里叶变换，并对傅里叶变换后的光束经所述第二反射镜反射至所述分束器中，以生成第一光束和第二光束，将所述第一光束射入所述第三相位空间光调制器中进行频谱分析，并将所述第二光束射入所述观测系统进行捕捉，以得到对应的艾里类光束的强度分布。
进一步的，所述能量分布调节的步骤包括：
利用圆形孔径调节其入射光所对应的光场的能量分布。
进一步的，所述第一空间光调制器编码的相位模式函数为：
Figure 809725DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 505148DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 481195DEST_PATH_IMAGE003
为波矢分量，波矢
Figure 553056DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 727685DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 859589DEST_PATH_IMAGE006
分别为 第一空间光调制器的横向和纵向的控制参数，
Figure 57352DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 932904DEST_PATH_IMAGE008
为空间中光束的实际位移，m和n分别 为横向和纵向相移量的比例系数；
所述第二空间光调制器编码的相位模式函数为：
Figure 227620DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，
Figure 468108DEST_PATH_IMAGE010
，波矢
Figure 215484DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 127683DEST_PATH_IMAGE012
表示第一薄透镜的焦距，l表示拓扑电荷数，
Figure 276905DEST_PATH_IMAGE013
表示方位角。
进一步的，所述第一空间光调制器编码的相位模式函数为：
Figure 688295DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 657388DEST_PATH_IMAGE015
表示第一空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 140321DEST_PATH_IMAGE016
表示立方相位项在x 轴传播方向上的控制参数，
Figure 81733DEST_PATH_IMAGE017
表示立方相位项在y轴传播方向上的控制参数，
Figure 726341DEST_PATH_IMAGE012
表示第一薄 透镜的焦距，
Figure 448309DEST_PATH_IMAGE018
表示第二薄透镜的焦距，x表示x轴传播方向上对应的第一变量值，y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编码的相位模式函数为：
Figure 203775DEST_PATH_IMAGE019
；
其中，
Figure 62010DEST_PATH_IMAGE020
表示第一空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 80782DEST_PATH_IMAGE021
表示散光测量系数，
Figure 260352DEST_PATH_IMAGE022
，l表示拓扑电荷数，
Figure 85089DEST_PATH_IMAGE013
表示方位角。
进一步的，光束在空间中的移动轨迹的表达式为：
Figure 797830DEST_PATH_IMAGE023
；
其中，
Figure 987503DEST_PATH_IMAGE024
表示傅里叶变换，
Figure 418484DEST_PATH_IMAGE025
表示空间域函数，
Figure 515753DEST_PATH_IMAGE026
表示其频谱函数，
Figure 348580DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 505892DEST_PATH_IMAGE028
分别表示空间的水平和垂直频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1. 本发明利用空间光调制器-透镜组合产生艾里类光束，补偿了二次光谱相位，并且透镜的焦距不影响输出的结果，可以获得具有足够能量的艾里类光束。此外，本发明具有很好的适应性，不仅可以应用于对高斯光束或高斯相关光束的艾里变换，也可以扩展到空心光束，矢量涡旋光束，脉冲光束，以及相干光束等，使得成本降低，可以广泛地应用在光电领域，并且使得艾里光束具有更多的波长。
2. 通过对空间光调制器加载具有相移的立方相位膜片，使目标光束在输出平面产生相应的位移。基于傅里叶变换位移定理，通过调节横向和纵向相对相移的比例系数，测量目标光束的横向和纵向位移，确定相移和位移的线性关系，从而确定了目标光束的运动轨迹，实现了对目标光束初始面位置的调控。光束轨迹的起点可以位于傅里叶透镜后的任意平面上，使得目标光束的调控范围增大，并弥补了利用立方分布的连续相位板产生艾里类光束无法进行动态调控的缺点。
附图说明
图1为本发明第一实施例中新型数字化艾里类光束的产生与调控装置的整体结构图；
图2为本发明第一实施例中第一种涡旋相位的生成示意图；
图3为本发明第一实施例中第二种立方涡旋相位的生成示意图
图4为本发明第一实施例中艾里光束的产生原理图；
图5为本发明第二实施例中新型数字化艾里类光束的产生与调控方法的流程图。
主要元件符号说明：
Laser、光源；L1、第一薄透镜；L2、第二薄透镜；L3、第三薄透镜；L4、第四薄透镜；L5、第五薄透镜；RM1、第一反射镜；RM2、第二反射镜；SLM1、；SLM2、；BS、光束分束器；CCD、；f1、第一薄透镜的焦距；f2、第二薄透镜的焦距；f3、第三薄透镜的焦距；f4、第四薄透镜的焦距；f5、第五薄透镜的焦距；
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
目前，对艾里光束的调控与测量通常需要对相位膜片或入射光进行机械移动，使其轨迹形状发生改变，或使用特殊设计的相位膜片使其沿着特定轨迹运动，虽然可以实现对其轨迹的调控，但都存在装置复杂、误差较大等问题，且光束轨迹的起点始终在傅里叶透镜后焦面上固定位置，因此其轨迹的调控范围较小。
为满足实际应用需求，需要寻求一种能够对艾里光束轨迹进行大幅度调控并且不需要对实验装置进行机械移动的调控手段。本申请对入射高斯及高斯类光束进行光学艾里变换（即对入射光束进行两次光学傅里叶变换和一次立方相位调制），产生艾里类光束，利用傅里叶变换位移定理对其频谱面的相位部分进行数字化写入相移，从而实现对艾里类光束进行精确调控。
本申请利用在频域数字化写入相移的方法对艾里光束的位置和传输轨迹进行调控。改进了以往调控方案光路系统复杂，操作繁琐，误差较大等缺陷。本申请通过对立方相位施加相移，可以灵活调控艾里光束的初始平面的光斑的作用区域，同时光斑形态并未发生改变。此外，不需要对实验装置进行机械移动，避免因实验装置的机械移动带来不必要的误差，减小了误差的同时也简化了操作，以此为基础也可以增大光束的调控范围。
实施例一
请参阅图1，所示为本发明第一实施例中的新型数字化艾里类光束的产生与调控装置，所述装置包括：
光源、第一反射系统、薄透镜系统、相位调制系统、第二反射系统以及观测系统；
所述薄透镜系统包括第一薄透镜以及第二薄透镜，所述相位调制系统包括第一空间光调制器以及第二空间光调制器，所述光源用于产生圆偏振激光，所述圆偏振激光依次经过所述第一反射系统、所述第一薄透镜、所述第一空间光调制器、所述第二薄透镜、所述第二空间光调制器以及所述第二反射系统后生成艾里类光束；
需要说明的是，在本实施例中，第一空间光调制器与第二空间光调制器的像素尺寸均为12μm×12μm，分辨率1920×1080pixels；本实施例中的相位编码方式存在两种，当利用空间光调制器产生其他的艾里类涡旋光束时，例如艾里涡旋光束，则需要在立方相位上叠加一个涡旋相位掩模。涡旋相位可以利用计算机将球面相位和单相相位传输相乘获得，同时对产生的相位进行调制，将带有传输距离z的相位因子写入相位膜片，叠加两个相位不同模式，构建第一种涡旋相位（如图2所示，图中a表示球面相位，b表示拓扑电荷m=3的单相相位，c表示旋涡相位），在第一空间光调制器上加载对应的立方相位膜片对入射光场进行相位调制，其相位模式函数为：
Figure 158590DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 262812DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 278759DEST_PATH_IMAGE003
为波矢分量，波矢
Figure 606972DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 12546DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 654880DEST_PATH_IMAGE006
分别为 第一空间光调制器的横向和纵向的控制参数，
Figure 196719DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 961413DEST_PATH_IMAGE008
为空间中光束的实际位移，m和n分别 为横向和纵向相移量的比例系数；
第二空间光调制器的表面加载具有不同拓扑电荷和传输距离的螺旋相位膜片。其对应的相位模式函数为：
Figure 588703DEST_PATH_IMAGE030
；
其中，
Figure 34728DEST_PATH_IMAGE010
，波矢
Figure 696654DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 632249DEST_PATH_IMAGE031
表示第一薄透镜的焦距，l表示拓扑电荷数，
Figure 982721DEST_PATH_IMAGE013
表示方位角。
在其他可选实施例中，叠加两个相位不同模式，构建第二种立方涡旋相位（根据公 式：
Figure 232437DEST_PATH_IMAGE032
来分析生成的相位掩模，如图3所示，图中a表示立方相位 掩膜，b表示拓扑电荷m=3的螺旋相位，c表示立方旋涡相位掩膜），立方涡旋相位掩模可以通 过在一个立方相位掩模上叠加涡旋相位模式来产生，它可以在0到2π的范围内进行调制，所 述第一空间光调制器编码的相位模式函数为：
Figure 748869DEST_PATH_IMAGE033
；
其中，
Figure 589786DEST_PATH_IMAGE015
表示第一空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 191668DEST_PATH_IMAGE016
表示立方相位项在x 轴传播方向上的控制参数，
Figure 776233DEST_PATH_IMAGE017
表示立方相位项在y轴传播方向上的控制参数，
Figure 350434DEST_PATH_IMAGE012
表示第一薄 透镜的焦距，
Figure 362253DEST_PATH_IMAGE018
表示第二薄透镜的焦距，x表示x轴传播方向上对应的第一变量值，y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编码的相位模式函数为：
Figure 717011DEST_PATH_IMAGE034
；
其中，
Figure 839687DEST_PATH_IMAGE035
表示第一空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 533974DEST_PATH_IMAGE021
表示散光测量系数，
Figure 215229DEST_PATH_IMAGE022
，l表示拓扑电荷数，
Figure 791704DEST_PATH_IMAGE013
表示方位角。
其中，所述第一反射系统和所述第二反射系统用于对其入射光进行校准，所述第一薄透镜用于对其入射光进行傅里叶逆变换，所述第二薄透镜用于对其入射光进行傅里叶变换，所述第一空间光调制器与所述第二空间光调制器分别用于对入射光波进行立方相位调制，所述观测系统用于捕获所产生的所述艾里类光束的强度分布。
需要说明的是，光源选用激光器，第一反射系统和第二反射系统均选用反射镜，利用利用空间光调制器-透镜组合完全补偿了二次光谱相位，并在入射高斯脉冲上留下一个可调的立方相位，利用观测系统（在观测系统中设置有计算机全息技术）搭建多参量调控平台，将带有传播距离z的传输矩阵进行组合，与透镜的相位调制函数一同写入立方相位膜片，进而将傅里叶透镜和传输距离进行数字化。进一步构建Fresnel传输和远场衍射理论模型，将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型。利用快速傅里叶变换的离散求和算法对入射和出射光场进行采样，通过改变相关参数以实现对入射光场的联合调控。
激光器产生的高斯光束进行立方相位调制，之后再经过傅里叶透镜变换来产生Airy加速光束。该艾里光束的产生原理如图4所示，利用光学透镜对入射高斯以及高斯类光束进行傅里叶变换，并将满足立方相位分布的膜片加载到空间光调制器上，入射光经过空间光调制器，然后再反射出来就完成了相位调制，这个光束再经过傅里叶透镜变换，在透镜后焦平面处就可以得到艾里类光束的强度分布。透镜的焦平面为是艾里类光束的初始面，改变CCD的位置可记录下对应不同衍射距离处光束的光场分布、光瓣尺寸大小和坐标信息。
进一步的，在所述光源与所述第一反射系统之间设有光束扩展器，所述光束扩展器用于对所述光源所产生的圆偏振激光进行扩束与准直，在所述光束扩展器与所述第一反射系统中间设有锥透镜系统，所述锥透镜系统包括第一锥透镜以及第二锥透镜，所述锥透镜系统用于将入射到所述第一锥透镜入射面与所述第二锥透镜入射面的光波矢量旋转对称分布在所述第一锥透镜出射面与所述第二锥透镜出射面上。
需要说明的是，在本实施例中，光束扩展器由左至右依次设置的第三薄透镜以及第四薄透镜组成，激光器所发射的高斯光束经过第三薄透镜和第四薄透镜进行扩束，其中，第三薄透镜的焦距f 3=15mm.第四薄透镜的焦距f 4=180mm。
具体的，所述第一锥透镜与所述光束扩展器以及所述第一薄透镜和所述第二薄透镜之间均设有圆形孔径，所述圆形孔径用于调节其入射光的能量分布。
需要说明的是，在本实施例中，设置在第一锥透镜与光束扩展器之间的圆形孔径CA1的直径d=1mm，第一薄透镜和第二薄透镜之间的圆形孔径CA2的直径d=1mm。
在本实施例中，在所述第二反射系统与所述第三空间光调制器之间设有分束器，所述相位调制系统还包括第三空间光调制器，所述分束器用于将激光束分成第一光波与第二光波，所述第三空间光调制器用于对所述第一光波进行频谱分析，并将所述分析结果输出至所述观测系统，所述观测系统用于捕捉所述第二光波。
进一步的，所述观测系统包括CCD相机，所述CCD相机安装于平行移动平台上，所述平行移动平台与光束的传播Z轴平行，所述CCD相机通过所述平行移动平台实现沿光束的传播光轴移动。
在具体实施时，选择中心波长为632nm的He-Ne激光器作为光源。由激光器发出的高斯光束首先透过一个光束扩展器进行扩束；然后经过在第一锥透镜与光束扩展器之间的圆形孔径CA1调节其能量分布，经过第一反射系统中的反射镜RM 1校准后入射到第一空间光调制器SLM1表面，SLM1上通过加载对应的立方相位膜片对入射光场进行相位调制，相位调制后再经过第一薄透镜L1进行傅里叶逆变换后，由经过在第一薄透镜和第二薄透镜之间的圆形孔径CA2调节光场的能量分布，入射至第二空间光调制器SLM2表面，其表面上加载具有不同拓扑电荷和传输距离的螺旋相位膜片。对相位膜片施加一定的位移，光场由第二薄透镜L2进行傅里叶变换后，也会产生相应的位移变换，满足：
Figure 718071DEST_PATH_IMAGE036
再次经第二反射系统的反射镜RM 2校准后，通过光束分束器BS将所获得的结果在第三空间光调制器SLM 3和电荷耦合器件相机(CCD相机)的屏幕上捕获。实验中，将经过一系列变换的相位模式输入到空间光调制器中，可以在CCD相机中获得相应的实验结果。
综上，本发明上述实施例当中的新型数字化艾里类光束的产生与调控装置，利用空间光调制器-透镜组合产生艾里类光束，补偿了二次光谱相位，并且透镜的焦距不影响输出的结果，可以获得具有足够能量的艾里类光束。此外，该装置具有很好的适应性，它不仅可以应用于对高斯光束或高斯相关光束的艾里变换，也可以扩展到空心光束，矢量涡旋光束，脉冲光束，以及相干光束等。这使得成本降低，可以广泛地应用在光电领域，并且使得艾里光束具有更多的波长。通过对空间光调制器加载具有相移的立方相位膜片，使目标光束在输出平面产生相应的位移。然后基于傅里叶变换位移定理（即位移量与相移呈线性关系），通过调节横向和纵向相对相移的比例系数，测量目标光束的横向和纵向位移，确定相移和位移的线性关系，从而确定了目标光束的运动轨迹，实现了对目标光束初始面位置的调控。光束轨迹的起点可以位于傅里叶透镜后的任意平面上，使得目标光束的调控范围增大，并弥补了利用立方分布的连续相位板产生艾里类光束无法进行动态调控的缺点。利用计算机全息技术搭建多参量调控平台，构建Fresnel传输和远场衍射模型。通过改变入射光场的自身特性以及相位膜片的控制参数，在固定的输出平面上实现对光束尺度，横向加速度，相位模式等多参数联合调控，可以大大的降低外部条件的干扰和传输演化过程中的损耗，为可逆的光束整形技术提供了基础条件。
实施例二
本发明另一方面还提出一种数字化艾里类光束的产生与调控方法，请查阅图5，所示为本发明第二实施例中的一种数字化艾里类光束的产生与调控方法，应用于上述的数字化艾里类光束的产生与调控装置，所述数字化艾里类光束的产生与调控方法包括步骤S101~S104：
S101，对所述光源发出的圆偏振激光进行扩束，以得到扩束激光；
在具体实施时，选择中心波长为632nm的He-Ne激光器作为光源。由激光器发出的高斯光束透过一个光束扩展器进行扩束，以得到扩束激光。
S102，对所述扩束激光进行一次能量分布调节，并将一次能量分布调节后的光束照射在所述第一反射镜上进行校准，将校准后的光束入射至所述第一空间光调制器上，以使所述第一空间光调制器对所述校准后的光束进行立方相位调制；
在具体实施时，利用设置在第一空间光调制器与光束扩展器之间的圆形孔径CA1调节其能量分布，并将能量分布调节后的光束照射在第一反射系统的第一反射RM 1进行校准，将校准后的光束入射至第一空间光调制器SLM1上，以使第一空间光调制器SLM1对所述校准后的光束进行立方相位调制；
S103，将立方相位调制后的光束反射至所述第一薄透镜进行傅里叶逆变换，并对傅里叶逆变换后的光束进行二次能量分布调节后入射至所述第二空间光调制器，以使所述第二空间光调制器对二次能量分布调节后的光束进行螺旋相位调制；
在具体实施时，在经过立方相位调制后的光束反射至L1进行傅里叶逆变换，并利用设置在第一薄透镜和第二薄透镜之间的圆形孔径CA2调节光场的能量分布，将能量分布调节后的光束入射至第二空间光调制器SLM2表面，利用其表面上加载具有不同拓扑电荷和传输距离的螺旋相位膜片，对相位膜片施加一定的位移。
需要说明的是，在本实施例中，第一空间光调制器与第二空间光调制器的像素尺寸均为12μm×12μm，分辨率1920×1080pixels；本实施例中的相位编码方式存在两种，当利用空间光调制器产生其他的艾里类涡旋光束时，例如艾里涡旋光束，则需要在立方相位上叠加一个涡旋相位掩模。涡旋相位可以利用计算机将球面相位和单相相位传输相乘获得，同时对产生的相位进行调制，将带有传输距离z的相位因子写入相位膜片，叠加两个相位不同模式，构建第一种涡旋相位（如图2所示，图中a表示球面相位，b表示拓扑电荷m=3的单相相位，c表示旋涡相位），在第一空间光调制器上加载对应的立方相位膜片对入射光场进行相位调制，其相位模式函数为：
Figure 266864DEST_PATH_IMAGE037
；
其中，
Figure 886064DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 684256DEST_PATH_IMAGE038
为波矢分量，波矢
Figure 617577DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 817614DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 607716DEST_PATH_IMAGE040
分别为 第一空间光调制器的横向和纵向的控制参数，
Figure 893204DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 630215DEST_PATH_IMAGE041
为空间中光束的实际位移，m和n分别 为横向和纵向相移量的比例系数；
第二空间光调制器的表面加载具有不同拓扑电荷和传输距离的螺旋相位膜片。其对应的相位模式函数为：
Figure 451803DEST_PATH_IMAGE042
；
其中，
Figure 147227DEST_PATH_IMAGE043
，波矢
Figure 123273DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 195134DEST_PATH_IMAGE012
表示第一薄透镜的焦距，l表示拓扑电荷数，
Figure 369764DEST_PATH_IMAGE045
表示方位角。
在其他实施例中，叠加两个相位不同模式，构建第二种立方涡旋相位（根据公式：
Figure 501668DEST_PATH_IMAGE046
来分析生成的相位掩模，如图3所示，图中a表示立方相位掩 膜，b表示拓扑电荷m=3的螺旋相位，c表示立方旋涡相位掩膜），立方涡旋相位掩模可以通过 在一个立方相位掩模上叠加涡旋相位模式来产生，它可以在0到2π的范围内进行调制，所述 第一空间光调制器编码的相位模式函数为：
Figure 699431DEST_PATH_IMAGE047
；
其中，
Figure 574983DEST_PATH_IMAGE015
表示第一空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 604119DEST_PATH_IMAGE016
表示立方相位项在x 轴传播方向上的控制参数，
Figure 110186DEST_PATH_IMAGE017
表示立方相位项在y轴传播方向上的控制参数，
Figure 591983DEST_PATH_IMAGE012
表示第一薄 透镜的焦距，
Figure 510042DEST_PATH_IMAGE018
表示第二薄透镜的焦距，x表示x轴传播方向上对应的第一变量值，y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编码的相位模式函数为：
Figure 659263DEST_PATH_IMAGE019
；
其中，
Figure 132970DEST_PATH_IMAGE020
表示第一空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 305325DEST_PATH_IMAGE021
表示散光测量系数，
Figure 522680DEST_PATH_IMAGE022
，l表示拓扑电荷数，
Figure 526408DEST_PATH_IMAGE013
表示方位角。
S104，将螺旋相位调制后的光束射入所述第二薄透镜进行傅里叶变换，并对傅里叶变换后的光束经所述第二反射镜反射至所述分束器中，以生成第一光束和第二光束，将所述第一光束射入所述第三相位空间光调制器中进行频谱分析，并将所述第二光束射入所述观测系统进行捕捉，以得到对应的艾里类光束的强度分布。
在具体实施时，将螺旋相位调制后的光束射入第二薄透镜L2进行傅里叶变换后，也会产生相应的位移变换，满足：
Figure 374278DEST_PATH_IMAGE048
傅里叶变换后的光束经第二反射系统的第二反射镜RM 2校准后，反射至所述分束器BS中，光束分束器BS将所获得的结果在第三空间光调制器SLM 3和电荷耦合器件相机(CCD相机)的屏幕上捕获。实验中，将经过一系列变换的相位模式输入到空间光调制器中，可以在CCD相机中获得相应的实验结果。
在本实施例中，具体的理论分析如下：
位移和传输轨迹的调控与测量：在旁轴近似的条件下，我们可以利用广义惠更斯- 菲涅尔衍射积分公式来研究光学系统的空间域传输问题,从光学艾里变换系统输入平面上
Figure 830668DEST_PATH_IMAGE049
到输出平面上
Figure 586134DEST_PATH_IMAGE050
的光场演化可以由下式来描述：
Figure 709948DEST_PATH_IMAGE051
；
Figure 463140DEST_PATH_IMAGE052
；
在空间光调制器上加载带有相移的相位膜片就可以在傅里叶透镜后焦面使光束产生相应的位移。为引入不同大小的相移，空间光调制器上加载相移膜片对应的相位调制函数为:
Figure 908290DEST_PATH_IMAGE053
；
其中，
Figure 467448DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 445768DEST_PATH_IMAGE055
是波矢分量，
Figure 432178DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure 800843DEST_PATH_IMAGE057
分别确定空间光调制 器的横向和纵向的控制参数。
Figure 898112DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 996518DEST_PATH_IMAGE059
为空间中光束的实际位移。m和n分别为横向和纵向 相移量的比例系数。
艾里光束的产生需要用到透镜进行傅里叶变换，而根据傅里叶变换的位移定理：
Figure 153830DEST_PATH_IMAGE060
；
其中，
Figure 9790DEST_PATH_IMAGE061
表示傅里叶变换，
Figure 176329DEST_PATH_IMAGE025
表示空间域函数，
Figure 362198DEST_PATH_IMAGE026
表示其频谱函数，
Figure 690411DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 33668DEST_PATH_IMAGE028
分别表示空间的水平和垂直频率。
若入射波场函数在空间域发生位移，则频谱函数在频域中有相应的相移。反之，若对光束的频谱面施加相移，则在其傅里叶变换平面即可得到相应的位移。在立方相位膜片上对其施加相移，在透镜的后焦面即艾里光束初始平面亦可得到相应的位移。横向、纵向的相移可分别使光束发生横向、纵向的位移，当横向与纵向的相移同时存在时，目标光束（即产生的艾里光束）在输出平面的焦平面上也可产生斜向的位移。通过二维光学傅里叶变换，即可得到对应光束在空间中的移动轨迹。
本发明上述实施例当中的新型数字化艾里类光束的产生与调控方法，应用于上述的新型数字化艾里类光束的产生与调控装置，利用空间光调制器-透镜组合产生艾里类光束，补偿了二次光谱相位，并且透镜的焦距不影响输出的结果，可以获得具有足够能量的艾里类光束。此外，该装置具有很好的适应性，它不仅可以应用于对高斯光束或高斯相关光束的艾里变换，也可以扩展到空心光束，矢量涡旋光束，脉冲光束，以及相干光束等。这使得成本降低，可以广泛地应用在光电领域，并且使得艾里光束具有更多的波长。通过对空间光调制器加载具有相移的立方相位膜片，使目标光束在输出平面产生相应的位移。然后基于傅里叶变换位移定理（即位移量与相移呈线性关系），通过调节横向和纵向相对相移的比例系数，测量目标光束的横向和纵向位移，确定相移和位移的线性关系，从而确定了目标光束的运动轨迹，实现了对目标光束初始面位置的调控。光束轨迹的起点可以位于傅里叶透镜后的任意平面上，使得目标光束的调控范围增大，并弥补了利用立方分布的连续相位板产生艾里类光束无法进行动态调控的缺点。利用计算机全息技术搭建多参量调控平台，构建Fresnel传输和远场衍射模型。通过改变入射光场的自身特性以及相位膜片的控制参数，在固定的输出平面上实现对光束尺度，横向加速度，相位模式等多参数联合调控，可以大大的降低外部条件的干扰和传输演化过程中的损耗，为可逆的光束整形技术提供了基础条件。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种数字化艾里类光束的产生与调控装置，其特征在于，包括光源、第一反射系统、薄透镜系统、相位调制系统、第二反射系统以及观测系统；
所述薄透镜系统包括第一薄透镜以及第二薄透镜，所述相位调制系统包括第一空间光调制器以及第二空间光调制器，所述光源用于产生圆偏振激光，所述圆偏振激光依次经过所述第一反射系统、所述第一薄透镜、所述第一空间光调制器、所述第二薄透镜、所述第二空间光调制器以及所述第二反射系统后生成艾里类光束；
其中，所述第一反射系统和所述第二反射系统用于对其入射光进行校准，所述第一薄透镜用于对其入射光进行傅里叶逆变换，所述第二薄透镜用于对其入射光进行傅里叶变换，所述第一空间光调制器与所述第二空间光调制器分别用于对入射光波进行立方相位调制，所述观测系统用于捕获所产生的所述艾里类光束的强度分布。
2.根据权利要求1所述的数字化艾里类光束的产生与调控装置，其特征在于，在所述光源与所述第一反射系统之间设有光束扩展器，所述光束扩展器用于对所述光源所产生的圆偏振激光进行扩束与准直。
3.根据权利要求2所述的数字化艾里类光束的产生与调控装置，其特征在于，在所述第二反射系统与所述第三空间光调制器之间设有分束器，所述相位调制系统还包括第三空间光调制器，所述分束器用于将激光束分成第一光波与第二光波，所述第三空间光调制器用于对所述第一光波进行频谱分析，并将所述分析结果输出至所述观测系统，所述观测系统用于捕捉所述第二光波。
4.根据权利要求3所述的数字化艾里类光束的产生与调控装置，其特征在于，所述第一空间光调制器与所述光束扩展器以及所述第一薄透镜和所述第二薄透镜之间均设有圆形孔径，所述圆形孔径用于调节其入射光的能量分布。
5.根据权利要求4所述的数字化艾里类光束的产生与调控装置，其特征在于，所述观测系统包括CCD相机，所述CCD相机安装于平行移动平台上，所述平行移动平台与光束的传播Z轴平行，所述CCD相机通过所述平行移动平台实现沿光束的传播光轴移动。
6.一种数字化艾里类光束的产生与调控方法，应用于权利要求5所述的数字化艾里类光束的产生与调控装置，所述数字化艾里类光束的产生与调控方法包括以下步骤：
步骤一：对所述光源发出的圆偏振激光进行扩束，以得到扩束激光；
步骤二：对所述扩束激光进行一次能量分布调节，并将一次能量分布调节后的光束照射在所述第一反射镜上进行校准，将校准后的光束入射至所述第一空间光调制器上，以使所述第一空间光调制器对所述校准后的光束进行立方相位调制；
步骤三：将立方相位调制后的光束反射至所述第一薄透镜进行傅里叶逆变换，并对傅里叶逆变换后的光束进行二次能量分布调节后入射至所述第二空间光调制器，以使所述第二空间光调制器对二次能量分布调节后的光束进行螺旋相位调制；
步骤四：将螺旋相位调制后的光束射入所述第二薄透镜进行傅里叶变换，并对傅里叶变换后的光束经所述第二反射镜反射至所述分束器中，以生成第一光束和第二光束，将所述第一光束射入所述第三相位空间光调制器中进行频谱分析，并将所述第二光束射入所述观测系统进行捕捉，以得到对应的艾里类光束的强度分布。
7.根据权利要求6所述的数字化艾里类光束的产生与调控方法，其特征在于，所述能量分布调节的步骤包括：
利用圆形孔径调节其入射光所对应的光场的能量分布。
8.根据权利要求6所述的数字化艾里类光束的产生与调控方法，其特征在于，所述第一空间光调制器编码的相位模式函数为：
Figure 505309DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 711425DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 253265DEST_PATH_IMAGE003
为波矢分量，波矢
Figure 17958DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 645249DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 825694DEST_PATH_IMAGE006
分别为第一 空间光调制器的横向和纵向的控制参数，
Figure 487620DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 423215DEST_PATH_IMAGE008
为空间中光束的实际位移，m和n分别为横 向和纵向相移量的比例系数；
所述第二空间光调制器编码的相位模式函数为：
Figure 741064DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，
Figure 521938DEST_PATH_IMAGE010
，波矢
Figure 303949DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 643401DEST_PATH_IMAGE012
表示第一薄透镜的焦距，l表示拓扑电荷数，
Figure 245284DEST_PATH_IMAGE013
表 示方位角。
9.根据权利要求6所述的数字化艾里类光束的产生与调控方法，其特征在于，所述第一空间光调制器编码的相位模式函数为：
Figure 33111DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 404050DEST_PATH_IMAGE015
表示第一空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 681447DEST_PATH_IMAGE016
表示立方相位项在x轴传 播方向上的控制参数，
Figure 505047DEST_PATH_IMAGE017
表示立方相位项在y轴传播方向上的控制参数，
Figure 96565DEST_PATH_IMAGE018
表示第一薄透镜 的焦距，
Figure 322010DEST_PATH_IMAGE019
表示第二薄透镜的焦距，x表示x轴传播方向上对应的第一变量值，y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编码的相位模式函数为：
Figure 770309DEST_PATH_IMAGE020
；
其中，
Figure 550046DEST_PATH_IMAGE021
表示第一空间光调制器对应的相位掩模函数，
Figure 476414DEST_PATH_IMAGE022
表示散光测量系数，
Figure 323409DEST_PATH_IMAGE023
，l表示拓扑电荷数，
Figure 942610DEST_PATH_IMAGE024
表示方位角。
10.根据权利要求8-9任一项所述的数字化艾里类光束的产生与调控方法，其特征在于，光束在空间中的移动轨迹的表达式为：
Figure 740801DEST_PATH_IMAGE025
；
其中，
Figure 408543DEST_PATH_IMAGE026
表示傅里叶变换，
Figure 608580DEST_PATH_IMAGE027
表示空间域函数，
Figure 664261DEST_PATH_IMAGE028
表示其频谱函数，
Figure 684170DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 217919DEST_PATH_IMAGE030
分别表示空间的水平和垂直频率。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116931283A (zh) * 2023-07-18 2023-10-24 中国人民解放军国防科技大学 一种具有激光防护功能的光电成像系统
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