CN1442709A - 实现激光远场衍射光斑超分辨压缩的位相板 - Google Patents

Abstract

一种实现激光远场衍射光斑超分辨压缩的位相板，它由各向同性的介质构成，通过其表面的结构对入射的光束波前进行位相调制，其特征在于该位相板具有圆环形的位相分布，位相板的大小与激光发射衍射极限透镜的孔径相当。本发明可用于远距离激光通信的载波光束质量的提高、光盘存储容量的提高，共焦显微分辨率的提高和其它需改变远场衍射光斑主瓣的各种仪器中。

Description

实现激光远场衍射光斑超分辨压缩的位相板

技术领域：

本发明涉及激光光束波面整形，特别是指采用超分辨技术设计以实现激光远场衍射光斑超分辨压缩的位相板。该种位相板还可用于显微镜质量的改善及光盘存储容量的提高。

背景技术：

对激光的远场衍射光斑进行压缩和整形是衍射光学的一个重要内容。因为在远距离激光通讯中，接收端的光斑会随着距离的增加而发散的非常大，从而对这个发散的光斑进行修正就是非常有用的技术。同时，对于远距离的激光发射装置，往往需要有大口径的发射透镜，但仅采用增大发射口径的方法在实际制造中是不现实的，尤其是在空间通讯的技术中，大尺度的发射透镜会带来许多问题。所以，在不减少接收端接收效率的前提下，尽量减少发射端的重量，是一个非常有用的技术。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于提供一种激光远场衍射光斑超分辨压缩的位相板，达到对激光的远场衍射光斑进行压缩和整形，在不减少接收端接收效率的前提下，尽量减少发射端发射透镜的口径尺寸。

本发明的技术解决方案是，利用衍射光学的结论对远场衍射光斑进行压缩，具体地说就是设计和制造出一种实现激光远场光斑超分辨压缩的位相板。

一种实现激光远场衍射光斑超分辨压缩的相板，它由各向同性的介质构成，通过其表面的结构对入射的光束波前进行位相调制，其特征在于该位相板具有圆环形的位相分布，位相板的大小与激光发射衍射极限透镜的孔径相当；

所述的位相板为二环二值位相板，令该位相片的外环的半径为1时，则其内圆环的半径为0.3386；当该位相板为三环二值位相板时，其内环半径a＝0.0913，b＝0.3600，位相分布为0、Φ、0，而且Φ＝0.9π；

所述的位相板为多值位相板；

所述的位相板为三环多值位相板，令外圆环的半径为1时，两内环的半径a＝0.0913，b＝0.3600，自内向外的位相分布为Φ＝0.00π，Φ＝0.06π，Φ＝0.86π。

由衍射光学的结论可知，如果位相板位相分布是环形的，其远场衍射场光强分布为： $\mathrm{\Ψ}\left(\mathrm{\ξ}\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left(\mathrm{i\φj}\right)[{\mathrm{\α}}_j^{2}2J_1\left({\mathrm{\α}}_j\mathrm{\ξ}\right)/{\mathrm{\α}}_j\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\α}}_{j-1}^{2}2J_1\left({\mathrm{\α}}_{j-1}\mathrm{\ξ}\right)/{\mathrm{\α}}_{j-1}\mathrm{\ξ}]....\left(1\right)$

式中α_j为第j环带半径，取环带位相为二值O、Φ₀，则远场衍射场场强可改写为： $\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ξ}\right)=2J_1\left(\mathrm{\ξ}\right)/\mathrm{\ξ}-[1-\exp \left(i{\mathrm{\φ}}_0\right)]{(-1)}^{N+1}\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^j{\×\mathrm{\α}}_j^{2}2J_1\left({\mathrm{\α}}_j\mathrm{\ξ}\right)/{\mathrm{\α}}_j\mathrm{\ξ}...\left(2\right)$

利用公式(2)对多环二值位相板进行计算，在中央主瓣压缩G＝0.8的情况下，能量取最大值获得二环、三环、四环、五环位相板符合条件的最佳各环半径和位相Φ值，其结论是双环位相板当内环位相是1π，半径r＝0.3386(假定圆形位相板是单位半径)时，Smax＝0.5940是满足搜索条件的最佳值。即在中央主瓣压缩0.8的情况下，能量只剩传统爱里斑衍射模式下能量的59.40％。

对于三环二值位相板，α＝0.0913，b＝0.3600，Φ＝0.9π，G＝0.7979，S_MAX＝0.5842。对三环多值位相板最优结果是：α＝0.0913，b＝0.3600，φ₁＝0.00π，φ₂＝0.06π，φ₃＝0.86π，S_max＝0.5909，各环的半径是与三环二值位相板参数相同。其激光的远场衍射光强分布如图3所示。

以上参数为归一化数值。在实际工程中可按如上参数换算出具体数据。例如半径是10毫米的透镜，位相板上各环的半径是0.0913和3.600毫米，各环位相从内至外是φ₁＝0.00π，φ₂＝0.06π，φ₃＝0.86π。

附图说明：

图1是本发明设计的归一化半径的超分辨位相板的示意图。各内环带的半径用a、b表示，各内环带位相用Φ、0、Φ表示，外环半径归一化为1。

图2采用超分辨技术实现压缩远场激光衍射主瓣尺寸的光路示意图。在图中1代表发射激光器，2为会聚透镜，3为位相板，4为光纤纳米尺寸扫描测量微米尺度光斑检测系统。

图3采用位相修正技术后激光束远场光强的分布的改变示意图。图中实线是无超分辨位相板时爱里斑的光强分布。虚线是放入位相板后光强的分布，可明显看出中央主瓣的尺寸在变小。

具体实施方式：

图1是本发明用于激光远场衍射光斑超分辨压缩位相板三环二值位相板示意图。制造环形位相光栅，是利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术来实现的。首先，利用电子束直写法制作出母版，通过接触式光刻法，母版图案转移到了涂在以光学玻璃为基底的光刻胶上。所采用的光刻胶为Shipley s1818，厚度为1.8μm。接触嚗光的复制误差小于0.5μm。最后，利用感应耦合等离子刻蚀技术，将图案刻蚀到光学玻璃中。所采用的刻蚀气体为三氟甲烷(CHF3)，对石英基底的刻蚀速率为0.077μm/min。对应于0.650μm波长，光学玻璃的折射率为1.521，因而π位相对应深度为0.608μm，制成了三环二值位相板。利用泰勒轮廓仪(Taylor Hobson Step HeightStandand)来测量环形位相光栅的深度为0.610μm。

采用超分辨技术压缩激光远场中央主瓣尺寸的大小的试验需要精密的测理仪器才能验证。本发明采用的试验验证如图2所示。包括有发射激光器1、会聚透镜2、超分辨位相板3和纳米光纤扫描小光斑测量系统4。由激光器1发出的已准直的激光，经会聚透镜2和超分辨位相板3，在会聚透镜2的焦平面上形成激光束的远场衍射光场，这样的远场衍射光场由纳米光纤扫描测量系统4测量出来。本实验验证系统的关键在于采用了纳米光纤扫描测量系统4，它可以以纳米扫描精度对激光的远场光斑精确测量。最右端是纳米尺度的光纤探针。所说的光纤的一端为经过特殊处理的开口为50纳米的小孔，另一端接在光电倍增管中。开口为50纳米的光纤一端放在压电陶瓷管中，这个压电陶瓷管由计算机控制实现步进为纳米级的二维扫描。这样一来，开口为50纳米的光纤就可对二维的微米级激光光斑进行精确的强度测量。由开口为50纳米的光纤收集到的光子信号，经由光纤传输，由光电倍增管探测到并转换为电信号，送入计算机中，可生成激光光斑的二维扫描光强度图像。首先没有超分辨位相板时，可探测到由聚焦透镜2生成的二维爱里斑光强度图像。加入超分辨位相板3后，可探测到新的光强度图像，由两幅图像可以比较衍射主瓣的压缩情况。光源采用半导体激光器，其工作波长是650mn。然后扩束、准直。在实验中所用的透镜直径为4mm，数值孔径为0.6，其后放置位相板，然后在聚焦光斑处放置光纤扫描头，利用光纤扫描法来测光斑的大小。在实验中爱里衍射斑的半径是0.66μm，采用超分辨技术后，其光斑变为0.53μm，压缩比为0.8，和模拟计算的结果基本一致。同时说明本发明可用于远距离激光通信的载波光束质量的提高，光盘存储容量的提高，共焦显微分辨率的提高和其它需改变远场衍射光斑主瓣的各种仪器中。

Claims (4)

1、一种实现激光远场衍射光斑超分辨压缩的位相板，它由各向同性的介质构成，通过其表面的结构对入射的光束波前进行位相调制，其特征在于该位相板具有圆环形的位相分布，位相板的大小与激光发射衍射极限透镜的孔径相当。

2、根据权利要求1所述的激光远场衍射光斑超分辨压缩的位相板，其特征在于所述的位相板二环二值位相板，令该位相板的外环的半径为1时，则其内圆环的半径为0.3386；当该位相板为三环二值位相板，其内环半径a＝0.0913，b＝0.3600，位相分布为O、Φ、O，而且Φ＝0.9π。

3、根据权利要求1所述的激光远场衍射光斑超分辨压缩的位相板，其特征在于所述的位相板为多值位相板。

4、根据权利要求1或3所述的激光远场衍射光斑超分辨压缩的位相板，其特征在于所述的位相板为三环多值位相板，令外圆环的半径为1时，两内环的半径a＝0.0913，b＝0.3600，自内向外的位相分布为Φ＝0.00π，Φ＝0.06π，Φ＝0.86π。

Images