CN204009237U - 自分裂光束的产生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自分裂光束的产生装置，产生装置沿光路方向依次包括：光源；空间光调制器，对激光束进行相位调制后以透射的方式输出具有特定光强分布的光束；旋转的散射体，激光束经过旋转的散射体后产生具有特定光强分布的非相干光；薄透镜，获得相干结构函数形式为非相干光光强傅里叶变换函数的部分相干光束；高斯滤波片，将部分相干光束的光强分布调制成高斯光强分布，产生具有特殊空间关联函数的部分相干光束，即自分裂光束。本实用新型利用光场空间关联结构调控技术产生自分裂光束，通过本实用新型可以简单方便在实验室产生自分裂光束，为自分裂光束在原子操控等领域的应用奠定基础。

Description

自分裂光束的产生装置

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，特别是涉及一种自分裂光束的产生装置。

背景技术

自第一台激光器实用新型以来，光场的相干理论得到了人们的广泛研究，其中光束的相干性是光场相干理论最重要的研究内容，光束的相干性包括两方面，即时间相干性和空间相干性。前者与光束的单色性密切相关，后者与光束的方向性密切相关。光束的空间相干性赋予了光束的一个新的自由度，为光场的谱密度分布、偏振结构、相干结构的调控提供了新的思路。部分相干光的空间相干结构可以通过光束的关联函数来表征。在过去的几十年里，研究人员从理论和实验上研究的最为广泛和深入的部分相干光是关联函数为高斯分布的光束，即：高斯谢尔模光束，研究发现，该光束在自由空间光通信、粒子俘获、原子冷却、光学成像、二次谐波产生、以及光学散射等领域具有广泛的应用前景。最近，一种具有特殊空间关联结构的部分相干光束引起了研究人员的广泛关注。2007年，意大利的Gori以及Santarsiero给出了构建标量部分相干光束的空间关联函数的充分条件。2009年，他们又提出了构建随机电磁光束的空间关联函数的充分条件。基于他们开拓性的工作，一系列具有特殊空间关联函数结构的部分相干光束的模型被提出来了，比如，2011年Lajunen等人提出了非均匀关联光束的模型；2012年Sahin等人提出了多高斯关联光束的模型；2013年梅掌荣等人提出了拉盖尔高斯关联光束以及贝塞尔高斯关联光束的模型；之后梅掌荣又提出了Cosine-高斯关联光束的模型；2014年陈亚红等人提出了特殊偏振关联光束的模型等。研究表明，这类具有特殊空间关联结构的部分相干光束在传输过程中展现出奇特的现象，比如，在远场处或焦平面上产生平顶分布，空心分布，或者阵列分布等特殊分布的光强；光强自聚焦现象；光强峰值漂移；焦点附近产生三维光学笼子等等。由于这些奇特的传输特性，具有特殊空间关联函数结构的部分相干光束将应用到自由空间光通信以及光学粒子俘获等领域。基于以上的研究基础，我们发现通过构建特定的光场空间关联函数，可以改变光束的传输特性，这为产生特定光场结构提供了新的思路。

在另一方面，光束的自分裂特性得到人们的持续关注。光束的自分裂特性能够激励出很多新奇的现象，在许多领域具有潜在的应用前景，比如，原子操控；粒子俘获；高能超辐射发光二极管设计领域等。到目前为止，有一系列关于光束自分裂的理论和实验被报道了，1996年Tikhonenko等人提出在饱和非线性介质中实现光束自分裂现象，1997年Torres等人就提出了通过二维波导实现光束的自分裂，1998年Snryanto等人提出了在非Kerr媒介中实现光束自分裂现象。然而，以上实现光束自分裂现象的方法都是借助于特殊媒介或者分束器来实现的，并不是对光场的直接调控。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种直接对光场进行调控自分裂光束的产生装置。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型针对上述问题，提出了一种直接对光场进行调控自分裂光束的产生装置。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供的技术方案如下：

一种自分裂光束的产生装置，所述产生装置沿光路方向依次包括：

光源，产生一定波长的激光束；

空间光调制器，对激光束进行相位调制后以透射的方式输出具有特定光强分布的光束；

旋转的散射体，旋转的散射体表面包括若干微小颗粒，颗粒大小分布遵从高斯统计分布，激光束经过旋转的散射体后产生具有特定光强分布的非相干光；

薄透镜，薄透镜起到傅里叶变换的作用，获得相干结构函数形式为非相干光光强傅里叶变换函数的部分相干光束；

高斯滤波片，高斯滤波片紧贴着薄透镜设置，用于将部分相干光束的光强分布调制成高斯光强分布，产生具有特殊空间关联函数的部分相干光束，即自分裂光束。

作为本实用新型的进一步改进，所述空间光调制器与个人电脑相连，所述个人电脑用于生成计算全息光栅图并加载到空间光调制器上，以产生具有特定光强分布的光束。

作为本实用新型的进一步改进，所述空间光调制器输出光束的光强分布为：

$I\left(v\right)={\left(\frac{v_x^2}{{\mathrm{\ω}}_{0x}^2}\right)}^m{\left(\frac{v_y^2}{{\mathrm{\ω}}_{0y}^2}\right)}^n\exp [-\frac{2v_x^2}{{\mathrm{\ω}}_{0x}^2}-\frac{{2v}_y^2}{{\mathrm{\ω}}_{0y}^2}],$

其中v＝(v_x,v_y)是空间光调制器输出面上的坐标矢量；exp[·]表示e指数函数；m，n为自然数，代表光束的阶数；ω_0x和ω_0y表示沿着x方向和y方向的光束宽度。

作为本实用新型的进一步改进，所述光源到高斯滤波片的光路传递函数为：

$H(r,v)=-\frac{i}{\mathrm{\λf}}T\left(r\right)\exp \left[\frac{\mathrm{i\π}}{\mathrm{\λf}}(v^2-2r\·v)\right],$

其中，v＝(v_x,v_y)和r＝(x,y)分别代表入射面以及出射面上的坐标矢量；为高斯滤波片振幅函数，σ₀为光斑有效宽度，f为薄透镜的焦距，薄透镜和旋转的散射体之间的距离也为f。

作为本实用新型的进一步改进，所述自分裂光束的互强度函数为：

$J_0(r_1,r_2)=G_0\exp [-\frac{r_1^2+r_2^2}{4{\mathrm{\σ}}_0^2}]\mathrm{\γ}(r_2-r_1),$

其中G₀是与光强有关的常数，r₁≡(x₁,y₁)和r₂≡(x₂,y₂)是部分相干光源处两任意位置矢量，γ(r₂-r₁)为光束的关联函数，表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\γ}(r_2-r_1)=\frac{H_{2m}[(x_2-x_1)/\sqrt{2}{\mathrm{\δ}}_{0x}]}{H_{2m}\left(0\right)}\exp [-\frac{{(x_2-x_1)}^2}{2{\mathrm{\δ}}_{0x}^2}]\\ \×\frac{H_{2n}[(y_2-y_1)/\sqrt{2}{\mathrm{\δ}}_{0y}]}{H_{2n}\left(0\right)}\exp [-\frac{{(y_2-y_1)}^2}{2{\mathrm{\δ}}_{0y}^2}],\end{array}$

δ_0x＝λf/πω_0x，δ_0y＝λf/πω_0y表示光束沿着x和y方向的相干长度；H_α为阶数为α的厄米多项式。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型利用光场空间关联结构调控技术产生自分裂光束，通过本实用新型可以简单方便在实验室产生自分裂光束，为自分裂光束在原子操控等领域的应用奠定基础。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型中记载的一些实施例，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所示为本实用新型调制光场空间关联结构的光学系统示例图；

图2所示为本实用新型一具体实施方式中自分裂光束产生装置的结构示意图；

图3所示为本实用新型一具体实施方式中产生的自分裂光束在光源平面上的关联函数模平方的等高分布图；

图4所示为本实用新型一具体实施方式中产生的自分裂光束在光源平面上的光强等高分布图。

图5所示为本实用新型一具体实施方式中产生的自分裂光束的传输光强分布图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

本实用新型中构建光场空间关联结构的方法原理如下：

在空间-时间域中，部分相干光束可以通过互强度函数来表征，且互强度函数需要满足以下正定条件：

J₀(r₁,r₂)＝∫I(v)H^*(r₁,v)H(r₂,v)d²v, (1)

其中H(r,v)表示任意函数，I(v)为非负函数。

公式(1)可以表示为更一般的形式：

J₀(r₁,r₂)＝∫∫J_i(v₁,v₂)H^*(r₁,v₁)H(r₂,v₂)d²v₁d²v₂, (2)

其中，

$J_i(v_1,v_2)=\sqrt{I\left(v_1\right)I\left(v_2\right)}\mathrm{\δ}(v_1-v_2).---\left(3\right)$

从公式(2)和(3)中，可以看出通过选取合适的H以及I函数，可以实现对部分相干光束的空间关联结构的调控。在实际光学系统中，H函数表示光路的传递函数，J_i(v₁,v₂)表示非相干光源，I(v)表示非相干光束的光强分布。

为了方便实现，这里我们选择这样一个光学系统，即：一束非相干光源传输距离f后，再经过焦距为f的薄透镜及振幅透射函数为T(r)高斯振幅滤波片。该光学系统的光路传递函数H可表示为：

$H(r,v)=-\frac{i}{\mathrm{\λf}}T\left(r\right)\exp \left[\frac{\mathrm{i\π}}{\mathrm{\λf}}(v^2-2r\·v)\right],---\left(4\right)$

其中 $T\left(r\right)=\exp (-r^2/4{\mathrm{\σ}}_0^2),$ σ₀为光斑宽度。

如果非相干光源的光强分布函数有如下形式：

$I\left(v\right)={\left(\frac{v_x^2}{{\mathrm{\ω}}_{0x}^2}\right)}^m{\left(\frac{v_y^2}{{\mathrm{\ω}}_{0y}^2}\right)}^n\exp [-\frac{2v_x^2}{{\mathrm{\ω}}_{0x}^2}-\frac{{2v}_y^2}{{\mathrm{\ω}}_{0y}^2}],---\left(5\right)$

其中ω_0x和ω_0y表示沿着x方向和y方向的光束宽度；v＝(v_x,v_y)为非相干光源面上的位置矢量；exp[·]表示e指数函数；m，n为自然数，代表光束的阶数。将公式(4)、(5)代入到公式(1)中，经过积分，得到互强度函数：

$J_0(r_1,r_2)=G_0\exp [-\frac{r_1^2+r_2^2}{4{\mathrm{\σ}}_0^2}]\mathrm{\γ}(r_2-r_1),---\left(6\right)$

其中G₀是与光强有关的常数，r₁≡(x₁,y₁)和r₂≡(x₂,y₂)是部分相干光源处两任意位置矢量。γ(r₂-r₁)为光束的关联函数，表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\γ}(r_2-r_1)=\frac{H_{2m}[(x_2-x_1)/\sqrt{2}{\mathrm{\δ}}_{0x}]}{H_{2m}\left(0\right)}\exp [-\frac{{(x_2-x_1)}^2}{2{\mathrm{\δ}}_{0x}^2}]\\ \×\frac{H_{2n}[(y_2-y_1)/\sqrt{2}{\mathrm{\δ}}_{0y}]}{H_{2n}\left(0\right)}\exp [-\frac{{(y_2-y_1)}^2}{2{\mathrm{\δ}}_{0y}^2}],\end{array}---\left(7\right)$

其中δ_0x＝λf/πω_0x，δ_0y＝λf/πω_0y表示光束沿着x和y方向的相干长度。H_α为阶数为α的厄米多项式。具有互强度函数为公式(6)的这种特殊空间关联结构的部分相干光束，即为自分裂光束，它在传输过程中具有自分裂特性。

参图1所示，一束光强分布为I(v)的非相干光传输距离f后，通过焦距f的薄透镜1，产生空间关联结构函数为γ(r₂-r₁)(具体形式为光强I(v)的傅里叶变换)的部分相干光束，紧接着薄透镜1后面放置高斯滤波片2，将产生的部分相干光束的光强分布调制成高斯光强分布，通过图1所示系统后，即可实现对光场关联结构调控的目的。

参见图2所示，在本实用新型的一优选实施方式中，一种自分裂光束的产生装置，依次包括光源1、空间光调制器2、旋转的散射体3、薄透镜4、高斯滤波片5，其中，旋转的散射体3表面包括若干微小颗粒，颗粒大小分布遵从高斯统计分布。空间光调制器2与个人电脑(未图示)相连，个人电脑用于生成计算全息光栅图并加载到空间光调制器上，以产生具有特定光强分布的光束。

本实施方式中光源1为氦氖激光器，产生的激光束波长为632.8纳米。其中空间光调制器2为德国Holoeye公司生产的LC-2002型透射空间光调制器，分辨率为800×600，每个像素尺寸为32微米×32微米，并将计算全息光栅图通过个人电脑直接加载到空间光调制器2中。旋转的散射体3为粗糙度为400的旋转毛玻璃片，通过3伏稳压电压源控制转速。薄透镜4为焦距为250毫米的薄凸透镜。

本实用新型沿着氦氖激光器发出激光方向依次放置连接个人电脑的空间光调制器、旋转的散射体、薄透镜、高斯滤波片；其中高斯滤波片紧贴薄透镜。将个人电脑生成的计算全息光栅图加载到所述空间光调制器中，从而实现对激光束光强调控的目的，产生光强分布为公式(5)所述的光强分布。之后将产生的具有公式(5)所述的光强分布的光束照射一旋转的散射体上，转化为一束非相干光，紧接着在距离旋转散射体距离为f的位置放置一薄透镜，对非相干光进行傅里叶变换，实现光场关联结构的调控，产生空间关联结构函数为非相干光光强分布傅里叶变换的部分相干光。紧贴着薄透镜放置一高斯滤波片，把光束的光强分布转变成高斯分布，从而产生自分裂光束，所示光束在传输过程中表现出自分裂现象。

本实用新型中自分裂光束产生方法包括以下步骤：

S1、光源1发出一束波长为632.8纳米的激光束；

S2、光源1发出的激光束照射在一空间光调制器2上，经过位相调制后以透射的方式输出；

S3、经空间光调制器调制后的光束照射旋转的散射体3，产生具有公式(5)所述的光强分布的非相干光；

S4、将非相干光照射到一距离为f的薄透镜4上，其中薄透镜4起到傅里叶变换的作用，获得相干结构函数形式为非相干光光强傅里叶变换函数的部分相干光束；

S5、紧接着薄透镜4放置一高斯滤波片5，将产生光束的光强分布调制成高斯光强分布，产生具有特殊空间关联函数的部分相干光束，即自分裂光束。

具体地，本实施方式中光源1产生的波长为632.8纳米的激光束垂直入射到空间光调制器2，空间光调制器2为透射式的液晶空间光调制器，通过个人电脑加载计算全息光栅图对光束进行位相调制，调制后的输出光束具有特定的光强分布，光强分布的表达式可以写成：

$I\left(v\right)={\left(\frac{v_x^2}{{\mathrm{\ω}}_{0x}^2}\right)}^m{\left(\frac{v_y^2}{{\mathrm{\ω}}_{0y}^2}\right)}^n\exp [-\frac{2v_x^2}{{\mathrm{\ω}}_{0x}^2}-\frac{{2v}_y^2}{{\mathrm{\ω}}_{0y}^2}],---\left(8\right)$

其中v＝(v_x,v_y)是液晶空间光调制器输出面上的坐标矢量；exp[·]表示e指数函数；m，n为自然数，代表光束的阶数；ω_0x和ω_0y表示沿着x方向和y方向的光束宽度。

出射光束照射到旋转的散射体3上，将光束转化为公式(8)所述光强分布的非相干光。其中旋转的散射体为旋转的毛玻璃片，通过3伏稳压电压源控制转速。旋转毛玻璃片表面颗粒大小遵从高斯统计分布。产生的非相干光通过距离为f的薄透镜4以及紧挨着薄透镜的高斯滤波片5，其中薄透镜的焦距为f。以上非相干光源到高斯滤波片之间的系统传输函数可以写成：

$H(r,v)=-\frac{i}{\mathrm{\λf}}T\left(r\right)\exp \left[\frac{\mathrm{i\π}}{\mathrm{\λf}}(v^2-2r\·v)\right],---\left(9\right)$

其中v＝(v_x,v_y)和r＝(x,y)分别代表入射面以及出射面上的坐标矢量；为高斯滤波片振幅函数，σ₀为光斑有效宽度。

光强分布具有公式(5)形式的非相干光经过以上光学系统以后，产生自分裂光束，其互强度函数具有如下形式：

$J_0(r_1,r_2)=G_0\exp [-\frac{r_1^2+r_2^2}{4{\mathrm{\σ}}_0^2}]\mathrm{\γ}(r_2-r_1),---\left(10\right)$

其中G₀是与光强有关的常数，r₁≡(x₁,y₁)和r₂≡(x₂,y₂)是部分相干光源处两任意位置矢量。γ(r₂-r₁)为光束的关联函数，表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\γ}(r_2-r_1)=\frac{H_{2m}[(x_2-x_1)/\sqrt{2}{\mathrm{\δ}}_{0x}]}{H_{2m}\left(0\right)}\exp [-\frac{{(x_2-x_1)}^2}{2{\mathrm{\δ}}_{0x}^2}]\\ \×\frac{H_{2n}[(y_2-y_1)/\sqrt{2}{\mathrm{\δ}}_{0y}]}{H_{2n}\left(0\right)}\exp [-\frac{{(y_2-y_1)}^2}{2{\mathrm{\δ}}_{0y}^2}],\end{array}---\left(11\right)$

其中δ_0x＝λf/πω_0x，δ_0y＝λf/πω_0y表示光束沿着x和y方向的相干长度。H_α为阶数为α的厄米多项式。

本实用新型以产生的自分裂光束为例，参见图3，给出阶数为m＝1，n＝0的自分裂光束在光源面上关联函数模平方的等高分布图。参见图4，给出阶数为m＝1，n＝0的自分裂光束在光源面上的光强分布的等高分布图，产生的自分裂光束在光源处的光强分布为高斯分布。参见图5，给出了阶数为m＝1，n＝0的自分裂光束在自由空间中传输的等高分布图，从图中可以看出在自由空间中随着传输距离的增加自分裂光束逐渐从一束光分成两束。

由此可见，通过调控光场的空间关联结构，可以产生自分裂光束，这种自分裂光束在原子操控等领域具有实际应用价值。

综上所述，本实用新型提出了一种简单可行的自分裂光束的产生装置，利用光场空间关联结构调控技术产生自分裂光束。通过本实用新型可以简单方便在实验室产生自分裂光束，为自分裂光束在原子操控等领域的应用奠定基础。整个技术方案简单且有广泛的实用性，具有重要的实验及实用价值。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种自分裂光束的产生装置，其特征在于，所述产生装置沿光路方向依次包括：

光源，产生一定波长的激光束；

空间光调制器，对激光束进行相位调制后以透射的方式输出具有特定光强分布的光束；

旋转的散射体，旋转的散射体表面包括若干微小颗粒，颗粒大小分布遵从高斯统计分布，激光束经过旋转的散射体后产生具有特定光强分布的非相干光；

薄透镜，薄透镜起到傅里叶变换的作用，获得相干结构函数形式为非相干光光强傅里叶变换函数的部分相干光束；

高斯滤波片，高斯滤波片紧贴着薄透镜设置，用于将部分相干光束的光强分布调制成高斯光强分布，产生具有特殊空间关联函数的部分相干光束，即自分裂光束。

2.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于，所述空间光调制器与个人电脑相连，所述个人电脑用于生成计算全息光栅图并加载到空间光调制器上，以产生具有特定光强分布的光束。

3.根据权利要求2所述的产生装置，其特征在于，所述空间光调制器输出光束的光强分布为：

$I\left(v\right)={\left(\frac{v_x^2}{{\mathrm{\ω}}_{0x}^2}\right)}^m{\left(\frac{v_y^2}{{\mathrm{\ω}}_{0y}^2}\right)}^n\exp [-\frac{2v_x^2}{{\mathrm{\ω}}_{0x}^2}-\frac{{2v}_y^2}{{\mathrm{\ω}}_{0y}^2}],$

其中v＝(v_x,v_y)是空间光调制器输出面上的坐标矢量；exp[·]表示e指数函数；m，n为自然数，代表光束的阶数；ω_0x和ω_0y表示沿着x方向和y方向的光束宽度。

4.根据权利要求3所述的产生装置，其特征在于，所述光源到高斯滤波片的光路传递函数为：

$H(r,v)=-\frac{i}{\mathrm{\λf}}T\left(r\right)\exp \left[\frac{\mathrm{i\π}}{\mathrm{\λf}}(v^2-2r\·v)\right],$

其中，v＝(v_x,v_y)和r＝(x,y)分别代表入射面以及出射面上的坐标矢量；为高斯滤波片振幅函数，σ₀为光斑有效宽度，f为薄透镜的焦距，薄透镜和旋转的散射体之间的距离也为f。

5.根据权利要求4所述的产生装置，其特征在于，所述自分裂光束的互强度函数为：

$J_0(r_1,r_2)=G_0\exp [-\frac{r_1^2+r_2^2}{4{\mathrm{\σ}}_0^2}]\mathrm{\γ}(r_2-r_1),$

其中G₀是与光强有关的常数，r₁≡(x₁,y₁)和r₂≡(x₂,y₂)是部分相干光源处两任意位置矢量，γ(r₂-r₁)为光束的关联函数，表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\γ}(r_2-r_1)=\frac{H_{2m}[(x_2-x_1)/\sqrt{2}{\mathrm{\δ}}_{0x}]}{H_{2m}\left(0\right)}\exp [-\frac{{(x_2-x_1)}^2}{2{\mathrm{\δ}}_{0x}^2}]\\ \×\frac{H_{2n}[(y_2-y_1)/\sqrt{2}{\mathrm{\δ}}_{0y}]}{H_{2n}\left(0\right)}\exp [-\frac{{(y_2-y_1)}^2}{2{\mathrm{\δ}}_{0y}^2}],\end{array}$

δ_0x＝λf/πω_0x，δ_0y＝λf/πω_0y表示光束沿着x和y方向的相干长度；H_α为阶数为α的厄米多项式。