CN219225214U - 一种在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，包括氦氖激光器、半波片、偏振分束棱镜、扩束准直系统、空间光调制器、4f滤波系统和CCD相机；半波片和偏振分束棱镜控制高斯光束的功率并调整偏振方向；扩束准直系统对高斯光束进行扩束并且准直；空间光调制器加载特定的干涉条纹掩模板，对高斯光束进行相位调制；4f滤波系统在可调光阑处选取正一级干涉条纹，以获得对称奥尔弗光束的初始光场。本实用新型具有低成本、系统简单、可操作性强等优点，有效降低了入射光的衍射损耗。系统输出功率大、成本低、效率高，能够很好地产生对称奥尔弗光束，并通过调整对称奥尔弗光束的阶数和截断因子改变光束的聚焦位置和聚焦强度。

Description

一种在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，具体涉及一种在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统。

背景技术

2007年，科研工作者第一次在实验室成功得到了艾里光束，并发现了其特殊的传播特性，即自加速、近似无衍射以及自愈性。2014年，Pablo等人在艾里光束的基础上，提出了一种具有矩形对称性和自动聚焦特性的新型艾里光束，即对称艾里光束。对称艾里光束源于传统艾里光束的光谱立方相位的对称化。这种新型光束开启了研究捕获和引导粒子的不同方法以及使用它们在介电介质和等离子体应用中生成新的结构化等离子体通道和波导的可能性。

其次，在之前的研究中，科研人员将皮尔斯方程作为艾里方程的二维对应关系。2020年科研工作者在理论上根据波动方程的解的形式，发现了对称皮尔斯高斯光束，即由一维皮尔斯光束在二维上的扩展产生的具有两个光谱四次相的框架。对称皮尔斯光束的最基本的性质是强自聚焦特性，并且可以聚焦在附近场然后以矩形对称发散分配。科研工作者在实验上产生了对称皮尔斯高斯光束，并发现与等比、相似分布的对称艾里光束相比，对称皮尔斯高斯光束具有更好的聚焦能力，其聚焦强度是对称艾里光束的1.32倍。

此外，在2015年，科研工作者推导了奥尔弗光束，证明这类光束是薛定谔方程和亥姆霍兹方程的解。无限能量的奥尔弗光束在实践中是不可实现的。因此，通过有限孔径截断这些光束或通过高斯包络对其进行调制对于创建伪非衍射有限奥尔弗光束或奥尔弗-高斯光束是非常必要的。在最近的一项工作中，研究人员提出了生成有限能量奥尔弗光束的模型，并证明普通艾里光束是零阶奥尔弗光束。他们通过简单的旁轴ABCD光学系统对奥尔弗高斯光束的传播特性进行理论和数值检验。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出一种在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，能够很好地在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，包括沿光路依次设置的激光器、半波片、偏振分束棱镜、扩束准直系统、空间光调制器、4f滤波系统和相机；

所述激光器用于产生线偏振的高斯光束；

所述半波片用于控制高斯光束的功率；

所述偏振分束棱镜用于调整高斯光束的偏振方向；

所述扩束准直系统位于所述偏振分束棱镜和所述空间光调制器之间，对所述高斯光束进行扩束并准直后，发送至所述空间光调制器；

所述空间光调制器设置在所述扩束准直系统与4f滤波系统之间，用于加载模拟平面波与对称奥尔弗光束的干涉场分布产生特定的相位全息图，对所述高斯光束进行相位调制；

所述4f滤波系统用于在可调光阑处选取正一级干涉条纹，以获得对称奥尔弗光束的初始光场；

所述相机设于所述4f滤波系统一侧，用于观察传输距离范围内的光束。

作为优选地，所述扩束准直系统包括透镜L1、透镜L2和光阑，所述光阑设于透镜L1、透镜L2之间，用于对入射的高斯光束进行扩束准直处理。

作为优选地，所述4f滤波系统包括透镜L3、可调光阑和透镜L4；

所述透镜L3用于对所述对称奥尔弗光束进行傅里叶变换；

所述可调光阑位于所述透镜L3的像方焦平面处，用于在像方焦平面处获取所述对称奥尔弗光束的正一级干涉条纹；

所述透镜L4用于对所述可调光阑捕获的对称奥尔弗光束的正一级干涉条纹进行反傅里叶变换调制，在像方焦平面获得对称奥尔弗光束的初始光场。

作为优选地，所述激光器、半波片、偏振分束棱镜、扩束准直系统、空间光调制器、4f滤波系统和相机设置在同一轴线上。

作为优选地，还包括反射镜，所述反射镜位于所述偏振分束棱镜和所述扩束准直系统之间，用于将从偏振分束棱镜中射出的线偏振高斯光束反射至扩束准直系统，以进行扩束准直。

作为优选地，所述激光器为氦氖激光器，用于产生波长为632.8nm的线偏振的高斯光束。

作为优选地，所述相机为CCD相机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：

本实用新型采用空间光调制器，对扩束准直系统中发射出的高斯光束进行调制，加载对称奥尔弗光束和平面波干涉的相位掩模板，并将经相位调制后的对称奥尔弗光束反射至4f滤波系统，具有低成本、系统简单、可操作性强等优点，有效降低了入射光的衍射损耗。系统输出功率大、成本低、效率高，能够很好地产生对称奥尔弗光束，并通过调整对称奥尔弗光束的阶数和截断因子改变光束的聚焦位置和聚焦强度。

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为本实用新型实施例在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统装置图；

图2为本实用新型实施例的对称奥尔弗光束在不同阶数条件下的传输图；

图3为不同截断因子a的光束沿z轴传播的光强分布和最大强度曲线图。

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，都属于本实用新型保护的范围。

本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本申请实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本实用新型实施例提供一种在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，具有造价低、系统简单、操作方便等优点，有效降低了入射光的衍射损耗。系统输出功率大、成本低、效率高，能够很好地在自由空间中产生对称奥尔弗光束，并对其聚焦位置和聚焦强度进行调控。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。

图1为本实用新型实施例提供的一种在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，包括沿光路依次设置的氦氖激光器、半波片、偏振分束棱镜、扩束准直系统、空间光调制器、4f滤波系统和CCD相机。

所述氦氖激光器用于产生波长为632.8nm的线偏振的高斯光束。

所述半波片用于控制高斯光束的功率。

所述偏振分束棱镜用于调整高斯光束的偏振方向。

所述扩束准直系统位于所述偏振分束棱镜和所述空间光调制器之间，对所述高斯光束进行扩束并且准直后，发送至所述空间光调制器。

所述空间光调制器对扩束准直系统中发射出的高斯光束进行调制，加载对称奥尔弗光束和平面波干涉的相位掩模板，并将经相位调制后的光束反射至所述4f滤波系统。

所述4f滤波系统用于在可调光阑处选取正一级干涉条纹，以获得对称奥尔弗光束的初始光场。

所述CCD相机设于所述4f滤波系统一侧，用于观察传输距离范围内的光束。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述扩束准直系统包括透镜L1、透镜L2和光阑，所述光阑设于透镜L1、L2之间，用于对入射的高斯光束进行扩束处理。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述4f滤波系统包括透镜L3、可调光阑和透镜L4。

所述透镜L3用于对所述对称奥尔弗光束进行傅里叶变换。

所述可调光阑位于所述透镜L3的像方焦平面处，用于在像方焦平面处获取所述对称奥尔弗光束的正一级干涉条纹。

所述透镜L4用于对所述可调光阑捕获的所述对称奥尔弗光束的正一级干涉条纹进行反傅里叶变换调制，在像方焦平面获得对称奥尔弗光束的初始光场。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统中的氦氖激光器、半波片、偏振分束棱镜、扩束准直系统、空间光调制器、4f滤波系统和CCD相机设置在同一轴线上。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，还包括反射镜，所述反射镜设于所述偏振分束棱镜与扩束准直系统之间，所述反射镜用于将从偏振分束棱镜射出的线偏振高斯光束反射至扩束准直系统，以进行扩束准直。

本实用新型实施例将光谱立方对称相位和奥尔弗光束结合起来，得到对称奥尔弗光束，并在本实用新型实施例中对该光束在自由空间中传播的强度分布进行了深入的分析。

图2显示的是不同阶数n的光束沿z轴传播的光强分布和最大强度曲线，此时对称奥尔弗光束的截断因子a＝0.1；其中，(a)相应阶数n下的最大强度图；(b1)-(b3)是相应阶数n的光束横向强度分布图；可以看出当对称奥尔弗光束阶数n不同时，对称奥尔弗光束的聚焦位置和聚焦强度发生改变。对于偶数阶次来说，随着阶数n的增大，焦点处的光强增大，能量更加集中。故光束在自由空间传输时，光束的聚焦位置和强度能够通过改变空间光调制器上的干涉条纹掩模板的信息进行控制。

图3显示的是不同截断因子a的光束沿z轴传播的光强分布和最大强度曲线，此时对称奥尔弗光束阶数n＝2；可以看出当对称奥尔弗光束截断因子增大时，光束的最大强度减小。

本实用新型的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，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 (7)

1.一种在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，其特征在于，包括沿光路依次设置的激光器、半波片、偏振分束棱镜、扩束准直系统、空间光调制器、4f滤波系统和相机；

所述激光器用于产生线偏振的高斯光束；

所述半波片用于控制高斯光束的功率；

所述偏振分束棱镜用于调整高斯光束的偏振方向；

所述扩束准直系统位于所述偏振分束棱镜和所述空间光调制器之间，对所述高斯光束进行扩束并准直后，发送至所述空间光调制器；

所述空间光调制器设置在所述扩束准直系统与4f滤波系统之间，用于加载模拟平面波与对称奥尔弗光束的干涉场分布产生特定的相位全息图，对所述高斯光束进行相位调制；

所述4f滤波系统用于在可调光阑处选取正一级干涉条纹，以获得对称奥尔弗光束的初始光场；

所述相机设于所述4f滤波系统一侧，用于观察传输距离范围内的光束。

2.根据权利要求1所述的在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，其特征在于，所述扩束准直系统包括透镜L1、透镜L2和光阑，所述光阑设于透镜L1、透镜L2之间，用于对入射的高斯光束进行扩束准直处理。

3.根据权利要求1所述的在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，其特征在于，所述4f滤波系统包括透镜L3、可调光阑和透镜L4；

所述透镜L3用于对所述对称奥尔弗光束进行傅里叶变换；

所述可调光阑位于所述透镜L3的像方焦平面处，用于在像方焦平面处获取所述对称奥尔弗光束的正一级干涉条纹；

所述透镜L4用于对所述可调光阑捕获的对称奥尔弗光束的正一级干涉条纹进行反傅里叶变换调制，在像方焦平面获得对称奥尔弗光束的初始光场。

4.根据权利要求1所述的在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，其特征在于，所述激光器、半波片、偏振分束棱镜、扩束准直系统、空间光调制器、4f滤波系统和相机设置在同一轴线上。

5.根据权利要求1所述的在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜位于所述偏振分束棱镜和所述扩束准直系统之间，用于将从偏振分束棱镜中射出的线偏振高斯光束反射至扩束准直系统，以进行扩束准直。

6.根据权利要求1所述的在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，其特征在于，所述激光器为氦氖激光器，用于产生波长为632.8nm的线偏振的高斯光束。

7.根据权利要求1所述的在自由空间中产生并调控对称奥尔弗光束的系统，其特征在于，所述相机为CCD相机。

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