CN207457616U - 基于g-s算法产生艾里光束的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于G‑S算法产生艾里光束的装置包括激光器、滤波系统、扩束系统、分光棱镜、空间光调制器、傅里叶变换透镜及电脑，该装置结构简单、成本低、灵活且能避免复杂的理论计算。基于G‑S算法产生艾里光束的方法不同于经典的利用立方相位产生艾里光束，本技术根据入射高斯光束和输出加速艾里光束的光场分布，得到加速艾里光束。

Description

基于G-S算法产生艾里光束的装置

技术领域

本实用新型涉及光学变换系统中的相位恢复技术领域，更确切地说涉及一种基于G-S 算法产生艾里光束的装置。

背景技术

艾里(Airy)光束作为无衍射光束的一种，是近年来的研究热点。不同于经典的无衍射贝塞尔(Bessel)光束，艾里光束最重要的特性之一是在传输过程中横向加速。所谓横向加速，是指艾里激光束在自由空间传输时，其主瓣不是沿直线传输，而是沿着抛物轨迹传输，类似于有一个垂直于传输方向的加速度而导致运动轨迹弯曲，这与重力作用下弹丸的飞行弹道轨迹相似，因此被定义为加速光束。因艾里光束这些独特的光学性质及其潜在的应用价值，使其在很多领域都具有潜在的应用前景。因而，通过调控构建这种兼具无衍射及加速特性的艾里光束，具有重要的科学意义。

2007年，Siviloglou等证明了艾里光束的傅里叶谱是包含有立方相位因子的高斯型分布，这一结果表明对高斯光束进行立方相位调制，再经过傅里叶变换即可在空域产生加速艾里光束。这一思想也成为实验上产生艾里光束提供了重要的理论指导。随后，Siviloglou和Christodoulides最先在实验中利用空间光调制器产生了具有加速特性的艾里光束。

在光学研究范畴常常遇到这样的问题，就是怎样由测得的光强强度分布来寻找特定的相位信息，这是一个典型的二元光学问题。这种二元光学元件的设计可看作是一个逆衍射问题，即由给定的入射光场分布和目标出射光场分布，求衍射屏的相位分布。这种问题是高维变量的优化问题，一般情况下无严格的解析解，只能通过迭代运算求最优近似解。

光学研究领域中，对相位恢复算法的报道比较多，但核心还是迭代计算。G-S算法是 1972年由学者Gerchberg等最先提出，开创了相位恢复技术应用的基础，后来相继出现了各种算法，使得相位恢复技术得到了广泛应用。

对于经典的产生艾里光束的方法[G.A.Siviloglou et.al.,Observation ofaccelerating Airy beams.Phys.Rev.Lett.,99:213901(2007)]，该方法需要首先计算出艾里光束的频谱分布的解析解，才能用于构造实际的相位元件，理论复杂，灵活性差。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种基于G-S算法产生艾里光束的装置，该装置结构简单，成本低。

本实用新型的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的基于G-S算法产生艾里光束的装置，包括激光发生器、滤波系统、扩束系统、分光棱镜、空间光调制器、傅里叶变换透镜、电脑及CCD图像接收器；所述的激光发生器发出的高斯光经滤波系统和扩束系统后得到平行光；所述的平行光通过所述的分光棱镜分成两路分别进入所述的空间光调制器和傅里叶变换透镜；所述的空间光调制器加载相位G-S算法迭代得到的相位分布；利用傅里叶变换透镜在输出面得到艾里光束；所述的电脑加载相位信息用于控制所述的空间光调制器；所述的CCD图像接收器用于记录艾里光束；所述的调制后的光束经分光棱镜反射后，入射到所述的傅里叶变换透镜，将入射光束进行傅里叶变化后，在输出面得到艾里光束。

采用以上结构后，本实用新型的基于G-S算法产生艾里光束的装置，与现有技术相比，具有以下优点：

由于本实用新型的基于G-S算法产生艾里光束的装置包括激光器、滤波系统、扩束系统、分光棱镜、空间光调制器、傅里叶变换透镜及电脑，该装置结构简单、成本低、灵活且能避免复杂的理论计算。

附图说明

图1是本实用新型的基于G-S算法产生艾里光束的装置的结构示意图。

图2为本实用新型的基于G-S算法产生艾里光束的方法的流程图。

图中所示：10、激光发生器，11、滤波系统，12、扩束系统，13、分光棱镜，14、空间光调制器，15、傅里叶变换透镜，16、CCD图像接收器，17、电脑。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

请参阅图1所示，本实用新型的基于G-S算法产生艾里光束的装置，包括激光发生器10、滤波系统11、扩束系统12、分光棱镜13、空间光调制器14、傅里叶变换透镜15、 CCD图像接收器16及电脑17。所述的激光发生器10发出的高斯光经滤波系统和扩束系统12后得到平行光。所述的扩束系统12由两个透镜组成，扩束比例由透镜的焦距决定，扩束后光束的半高全款要与空间光调制器14的光学窗口相匹配。所述的平行光通过所述的分光棱镜13分成两路分别进入所述的空间光调制器14和傅里叶变换透镜15。所述的空间光调制器14加载相位G-S算法迭代得到的相位分布。进入空间光调制器14的光经反射调制后，经分光棱镜13反射后入射到傅里叶变换透镜15，在傅里叶变换透镜15输出面得到艾里光束。所述的电脑17用于控制所述的空间光调制器14。所述的CCD图像接收器16用于记录艾里光束。

请一并参阅图2所示，本实用新型基于G-S算法产生艾里光束的方法，包括以下步骤：

S1、电脑17根据G-S算法构造艾里光束相位板。根据G-S算法构造艾里光束相位板的方法，具体包括以下步骤：

S11、任意给定随机初始相位1，假定其相位分布为

S12、输入初始复振幅函数2；已知基模激光器出射光束的振幅分布为：

k为波数，w0为束腰宽度，z为任一波前距离束腰的距离，w(z)为激光任意波前的半高全宽；取输入函数的振幅与任意的初始相位结合而成新的函数即为输入初始复振幅函数(2)；

S13、初始复振幅函数2进行傅里叶变换3，得到输出面的新函数4，新函数4为 G＝|G|e^iψ；取其相位分布ψ；

S14、构造远场限制条件变换后函数；已知出射目标光束为艾里振幅分布，即 A(ξ,η)＝Airy(ξ/ξ₀)Airy(η/η₀)；式中Airy代表艾里函数；将艾里振幅分布 A(ξ,η)＝Airy(ξ/ξ₀)Airy(η/η₀)与相位ψ结合成新的函数,即为远场极限条件5变换后的函数6；

S15、对函数6进行反傅里叶变换7，反傅里叶变换后得到输入面的新函数8，即取其相位分布

S16、加入近场限制条件9，即将函数8得到的相位分布与初始振幅结合成新的输入函数得到的复振幅函数为下一次循环的初始复振幅函数2；

S17、重复上述步骤S11至步骤S16，逐次逼近，直到得到的相位分布能够产生目标艾里光束。

S2、激光发生器10发出的高斯光经滤波系统11和扩束系统12后得到平行光；

S3、所述的平行光通过分光棱镜13分成两路分别进入空间光调制器14和傅里叶变换透镜15；

S4、所述的空间光调制器14加载所述的电脑17构造的艾里光束相位板对光束进行调制；

S5、所述的傅里叶变换透镜15将所述的调制光束进行傅里叶变化后，在输出面得到艾里光束。

S6、CCD图像接收器16接收所述的傅里叶变换透镜15输出的光线，记录艾里光束。

G-S算法原理如下：随机给定入射面的相位分布与入射面的振幅结合成新的入射面波函数，通过傅里叶变换到频域得到出射面波函数；保留出射面波函数的位相与入射平面目标振幅结合成新的出射波函数，通过逆傅里叶变换到空域得到下一次入射面波函数，保留相位分布与入射振幅再次结合，进行下一次的傅里叶转换，通过一定次数的迭代，直到得到的相位分布能够产生目标光束。

上述的入射面和出射面之间反复进行迭代的依据是，入射面和出射面波函数满足光学傅里叶变换的关系。即A2(x2，y2)＝F{A1(x1，y1)},A1(x1，y1)＝F-1{A2(x2，y2)}，其中A1(x1，y1)和A2(x2，y2)分别是入射面和出射面函数。

Claims (1)

1.一种基于G-S算法产生艾里光束的装置，其特征在于：包括激光发生器(10)、滤波系统(11)、扩束系统(12)、分光棱镜(13)、空间光调制器(14)、傅里叶变换透镜(15)、电脑(17)及CCD图像接收器(16)；所述的激光发生器(10)发出的高斯光经滤波系统(11)和扩束系统(12)后得到平行光；所述的平行光通过所述的分光棱镜(13)分成两路分别进入所述的空间光调制器(14)和傅里叶变换透镜(15)；所述的空间光调制器(14)加载相位G-S算法迭代得到的相位分布；利用傅里叶变换透镜(15)在输出面得到艾里光束；所述的电脑(17)加载相位信息用于控制所述的空间光调制器(14)；所述的CCD图像接收器(16)用于记录艾里光束；所述的调制后的光束经分光棱镜反射后，入射到所述的傅里叶变换透镜，将入射光束进行傅里叶变化后，在输出面得到艾里光束。