CN214201945U

CN214201945U - 一种由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统

Info

Publication number: CN214201945U
Application number: CN202023114796.3U
Authority: CN
Inventors: 吴攸; 林泽嘉; 赵佳佳; 胡宏程; 邓冬梅
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2030-12-22

Abstract

本实用新型公开了一种由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统，包括：He‑Ne激光器，用于出射高斯光束；扩束镜，用于对光束进行扩束；立方分束晶体，用于将光束分束并产生干涉；空间光调制器，其加载有某种特定的干涉条纹，用于对光束进行调制变化；傅里叶透镜，用于对光束进行傅里叶变换，得到像散圆艾里涡旋光束；光阑，用于选取正一级干涉条纹。本实用新型采用空间光调制器的干涉条纹法产生像散圆艾里涡旋光束，该方法具有造价低，系统简单，操作方便等优点，并且入射光的衍射损耗不高，输出功率较大，节省成本，提高了效率，能够很好的控制光学瓶的变化。

Description

一种由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，具体涉及一种由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统。

背景技术

首先，随着艾里光束在2010年被提出，N.K.Efremindis等科研工作者在理论上提出了一种新颖旋转对称性的光波解，即圆艾里光束的波解。该解以艾里积分为基础，在柱坐标下根据波动方程的解的形式得出。当时的理论研究得出，圆艾里光束将具有激增自聚焦特性，这是一个比普通自聚焦更能快速聚焦的一个特性。激增自聚焦是指光束在传播过程中，在聚焦点附近的光强急聚地增强，这时的光强有初始输入的十几倍甚至几十倍。圆艾里光束被理论提出后，经过一年，D.G.Papazoglou等科研工作者用相位调制法将圆艾里光束在实验室中制得。至此，第二类艾里光束被成功地提出并验证，这开辟了后续对一系列圆艾里光束的探究，如探究圆艾里涡旋光束、啁啾圆艾里光束和圆艾里光束在介质中的传播特性等。

其次，像散相位是近几年有别于啁啾相位的另一新型相位种类。前人曾研究像散相位对光束的影响，比如像散相位对厄米-高斯光束的影响和含像散相位的皮尔斯光束在手性介质的传播特性等。当像散相位作用于光束时会产生空间像散涡旋光束，这个空间像散涡旋光束在自由空间中传输时，其光场分布会发生明显的扭曲，光场中被扭曲的点将会形成一条针状线型光斑。

此外，光学瓶也是目前粒子操纵的一个新兴概念。传统的粒子操纵手段是光镊，它利用光的能量和动量拾取个位数级别的粒子，而新型的粒子操纵手段光学瓶，它利用由光束传播时构造的三维密闭瓶空间来囚禁或操纵大量的微粒。因此可以说，光学瓶是光镊的升级版。然而，前人的研究难以控制光学瓶的性质。但是，光学瓶的控制系统对于激光技术、粒子操纵的应用和发展意义十分重大。因此，我们提出一种由像散圆艾里涡旋光束形成光学瓶的控制系统，它可以更好地控制光学瓶的性质。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提出一种由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统，采用空间光调制器的干涉条纹法产生像散圆艾里涡旋光束，促进光束聚焦控制的应用和发展。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统，包括：

激光器，用于出射高斯光束；

扩束镜，用于对光束进行扩束；

立方分束晶体，用于将光束分束并产生干涉；

空间光调制器，加载有某种特定的干涉条纹掩模板，用于对光束进行调制变化；

第一傅里叶透镜，用于对光束进行傅里叶变换；

光阑，用于在第一傅里叶透镜的像方焦平面上选取正一级干涉条纹；

第二傅里叶透镜，用于对光束再次进行傅里叶变换，在其像方焦平面处获得像散圆艾里涡旋光束的初始光场；光束在自由空间中传播形成光学瓶，其光学瓶的形状能够通过改变像散系数进行控制。

进一步地，所述激光器为He-Ne激光器。

进一步地，所述由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统还包括第一反射镜，第一反射镜位于立方分束晶体和第一傅里叶透镜之间，用于将从立方分束晶体出来的光束反射至第一傅里叶透镜。

进一步地，所述由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统还包括第二反射镜，第二反射镜位于第二傅里叶透镜之后，用于将从第二傅里叶透镜出来的像散圆艾里涡旋光束的初始光场反射至自由空间中传播形成光学瓶，其光学瓶的形状能够通过改变像散系数进行控制。

进一步地，干涉条纹掩模板为计算机模拟所得的像散圆艾里涡旋光束初始平面光场与平面波的干涉条纹。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：

1.造价低，系统简单，操作方便等优点；

2.入射光衍射损耗不高；

3.系统输出功率较大，节省成本，效率高；

4.简易且灵活得控制光学瓶的变化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本实用新型控制像散艾里涡旋光束形成光学瓶的系统装置图；

图2是本实用新型产生像散圆艾里涡旋光束的全息干涉条纹掩模板；

图3是本实用新型像散圆艾里涡旋光束在分布因子a＝0.1，衰减因子b＝0.1,光束主半径μ＝0.2mm，涡旋拓扑电荷l＝2，像散系数R＝7.5，高斯束宽w₀＝1.5mm时在自由空间中传播的强度分布和相位分布；(a)是光束在z-x平面的传播强度分布；(b1)-(b4)是对应(a)的四个标记横截面强度分布；(c1)-(c4)是对应的横截面相位分布。

图4是本实用新型像散圆艾里涡旋光束在分布因子a＝0.1，衰减因子b＝0.1,光束主半径μ＝0.2mm，涡旋拓扑电荷l＝2，高斯束宽w₀＝1.5mm时在自由空间中传播的强度分布和相位分布；(a1)-(a2)是不同像散系数的光束在z-x平面的传播强度分布；(b)含不同像散系数的像散圆艾里涡旋光束在z方向的最大光强曲线。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-4所示，本实用新型提供一种由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统，包括He-Ne激光器、扩束镜、立方分束晶体、空间光调制器、第一傅里叶透镜、光阑和第二傅里叶透镜；

所述He-Ne激光器用于出射高斯光束；

所述扩束镜用于对光束进行扩束；

所述立方分束晶体用于将光束分束并产生干涉；

所述空间光调制器加载有某种特定的干涉条纹掩模板，用于对光束进行调制变化；

所述第一傅里叶透镜用于对光束进行傅里叶变换；

所述光阑用于在第一傅里叶透镜的像方焦平面上选取正一级干涉条纹；

所述第二傅里叶透镜用于对光束再次进行傅里叶变换，在其像方焦平面处获得像散圆艾里涡旋光束的初始光场；光束在自由空间中传播形成光学瓶，其光学瓶的形状能够通过改变像散系数进行控制。

具体地，干涉条纹掩模板为计算机模拟所得的像散圆艾里涡旋光束初始平面光场与平面波的干涉条纹。

具体地，扩束后的原始激光经过加载干涉条纹掩模板的空间光调制器的反射，完成对其干涉信息的获取，再经过由两个傅里叶透镜和一个光阑组成的空间滤波器完成对像散圆艾里涡旋光束的提取。

具体地，空间滤波器为光束经过一个傅里叶透镜后，再其像方焦平面上用光阑选取正一级条纹并再通过一次傅里叶透镜，再第二个透镜的像方焦平面处获得像散圆艾里涡旋光束的初始光场。

具体地，所述由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统还包括第一反射镜，第一反射镜位于立方分束晶体和第一傅里叶透镜之间，用于将从立方分束晶体出来的光束反射至第一傅里叶透镜。

具体地，所述由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统还包括第二反射镜，第二反射镜位于第二傅里叶透镜之后，用于将从第二傅里叶透镜出来的像散圆艾里涡旋光束的初始光场反射至自由空间中传播形成光学瓶，其光学瓶的形状能够通过改变像散系数进行控制。

本实用新型将像散相位和圆艾里涡旋光束结合起来，得到像散圆艾里涡旋光束，并在本专利中对该光束在自由空间中传播的强度分布、相位分布进行了深入的分析。图2是加载像散圆艾里涡旋光束与平面波的干涉条纹掩膜板。在图3中我们选取光束传播形成光学瓶的几个截面的光强分布和相位分布，可以看出光束形成光学瓶的形状以及光学瓶的瓶口、瓶身和瓶底构造。图4显示的是含不同像散相位的光束沿z轴传播的光强分布和最大强度曲线，可以看出光束传播时的光学瓶形状，同时，在不同的像散系数的影响下，光学瓶的形状发生改变。

本实用新型采用空间光调制器的干涉条纹法产生像散圆艾里涡旋光束，该方法具有造价低，系统简单，操作方便等优点，并且入射光的衍射损耗不高，输出功率较大，节省成本，提高了效率，能够很好的控制光学瓶的变化。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统，其特征在于，包括：

激光器，用于出射高斯光束；

扩束镜，用于对光束进行扩束；

立方分束晶体，用于将光束分束并产生干涉；

空间光调制器，加载有干涉条纹掩模板，用于对光束进行调制变化；

第一傅里叶透镜，用于对光束进行傅里叶变换；

2.根据权利要求1所述的由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统，其特征在于，所述激光器为He-Ne激光器。

3.根据权利要求1所述的由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统，其特征在于，所述由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统还包括第一反射镜，第一反射镜位于立方分束晶体和第一傅里叶透镜之间，用于将从立方分束晶体出来的光束反射至第一傅里叶透镜。

4.根据权利要求1所述的由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统，其特征在于，所述由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统还包括第二反射镜，第二反射镜位于第二傅里叶透镜之后，用于将从第二傅里叶透镜出来的像散圆艾里涡旋光束的初始光场反射至自由空间中传播形成光学瓶，其光学瓶的形状能够通过改变像散系数进行控制。

5.根据权利要求1所述的由像散圆艾里涡旋光束形成的光学瓶控制系统，其特征在于，干涉条纹掩模板为计算机模拟所得的像散圆艾里涡旋光束初始平面光场与平面波的干涉条纹。