一种产生完美平顶光束/平顶涡旋光束的方法技术

一种产生平顶光束/平顶涡旋光束的方法，涉及傍轴光束空间结构的调控方法，属于光学领域。所述方法包括：步骤一、计算完美平顶光束/平顶涡旋光束空间复振幅的空间傅里叶变换，得到傅里叶变换后的空间复振幅信息；步骤二、根据所述傅里叶变换后的空间复振幅信息确定闪耀光栅相位深度调制因子；步骤三、将闪耀光栅相位深度调制因子作为强度掩膜加载到相位掩膜上，得到复振幅掩膜；以及步骤四、利用所述复振幅掩膜对入射光进行调制，并对调制后的光束进行傅里叶变换，得到所述完美平顶光束/平顶涡旋光束。本发明专利技术对相位全息技术进行了扩展，是非绝热过程的复振幅调制技术，能够将入射光在焦场范围内转换成任意平顶光束/平顶涡旋光束。束。束。

【技术实现步骤摘要】
一种产生完美平顶光束/平顶涡旋光束的方法


[0001]本专利技术涉及傍轴光束空间结构的调控方法，属于光学领域。

技术介绍

[0002]同时具有空间均一光强及相位分布的平顶光束、以及在此基础上携带涡旋相位(或称光学轨道角动量Orbital Angular Momentum,OAM)且中心涡旋奇点处光强光滑变化的平顶光束在基于光与物质相互作用的应用中(如光镊、非线性光学显微技术等)具有特殊意义，然而，目前尚未报道能够有效产生或从高斯光束中转换出上述两种平顶光束有技术。早在1997年在《Journal of the Optical Society of America A》卷14第1549页发表的《Analytical beam shaping with application to laser
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diode arrays》就介绍了利用相位全息技术将高斯光束整形成平顶光束的方法，但该方法产生的平顶光束只具备均一光强，而不涉及相位，这是由于广泛应用的计算全息技术基于纯相位调制，属于绝热物理过程(能量无损)，只能保证目标光场的空间光强分布而无法兼顾相位分布。因此，亟需一种新的技术来产生上述两种特殊的平顶光束。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了解决现有技术无法兼顾强度调制和相位调制，因而无法产生同时具有空间均一光强及相位分布的平顶光束、以及在此基础上携带涡旋相位且中心涡旋奇点处光强光滑变化的平顶光束的问题，提供一种产生完美平顶光束/平顶涡旋光束的方法。
[0004]一种产生完美平顶光束/平顶涡旋光束的方法，所述完美平顶光束表示在光束横截面上具有均一光强分布及均一相位分布的傍轴光束，完美平顶涡旋光束表示携带涡旋相位且中心涡旋奇点处光强光滑变化的完美平顶光束，所述方法包括：
[0005]步骤一、计算完美平顶光束/平顶涡旋光束空间复振幅的空间傅里叶变换，得到傅里叶变换后的空间复振幅信息；
[0006]步骤二、根据所述傅里叶变换后的空间复振幅信息确定闪耀光栅相位深度调制因子；
[0007]步骤三、将闪耀光栅相位深度调制因子作为强度掩膜加载到相位掩膜上，得到复振幅掩膜；以及
[0008]步骤四、利用所述复振幅掩膜对入射光进行调制，并对调制后的光束进行傅里叶变换，得到所述完美平顶光束/平顶涡旋光束。
[0009]可选地，在所述步骤二之后，所述方法还包括：
[0010]根据入射光的光强分布对所述闪耀光栅相位深度调制因子进行修正，得到修正后的闪耀光栅相位深度调制因子；
[0011]所述步骤三中，将修正后的闪耀光栅相位深度调制因子作为强度掩膜加载到空间光调制器产生的相位掩膜上，得到复振幅掩膜。
[0012]可选地，所述步骤二中，闪耀光栅相位深度调制因子为：
[0013][0014]其中，表示完美平顶光束/平顶涡旋光束的傅里叶变换在柱坐标系下的归一化光强分布。
[0015]可选地，所述修正后的闪耀光栅相位深度调制因子为：
[0016][0017]其中，I
in
表示所述入射光在柱坐标系下的归一化光强分布。
[0018]可选地，所述入射光为基横模高斯光束。
[0019]可选地，所述步骤四具体包括：
[0020]步骤四一、将具有所述复振幅掩膜的相位空间光调制器置于傅里叶透镜的一个焦点上；以及
[0021]步骤四二、使入射光依次经过所述掩膜版和所述傅里叶透镜后，在所述傅里叶透镜的另一个焦点上产生所述完美平顶光束/平顶涡旋光束。
[0022]本专利技术基于复振幅(即强度及相位)调制技术将入射光转换成平顶光束/平顶涡旋光束：首先，计算目标平顶光束/平顶涡旋光束空间复振幅(含光强及相位)的空间傅里叶变换(仍是一种空间复振幅信息)；然后，根据入射光束对该傅里叶变换得到的空间复振幅信息做修正，并根据所采用的复振幅调制技术手段将该修正后的复振幅信息制作成复振幅掩膜版，最后，用该掩膜版对入射光做空间复振幅调制并利用傅里叶透镜做变换，在透镜后焦场即可获得完美平顶光束/平顶涡旋光束。本专利技术对相位全息技术进行了扩展，是非绝热过程的复振幅调制技术，能够将入射光在焦场范围内转换成任意平顶光束/平顶涡旋光束。
附图说明
[0023]图1为本专利技术具体实施方式一中产生平顶光束/平顶涡旋光束的方法的示意性流程图；
[0024]图2是本专利技术具体实施方式一中相位型空间光调制器复振幅调制产生复振幅掩膜的原理示意图(拓扑荷l＝1)；
[0025]图3为本专利技术具体实施方式一中拓扑荷l＝0,1,2时产生平顶涡旋光束的原理，右侧表示不同颜色对应的相位值；
[0026]图4是本专利技术具体实施方式一中演示装置的结构示意图；
[0027]图5是本专利技术具体实施方式一中复振幅调制器产生的理论光场复振幅分布情况与傅里叶透镜后焦面产生的理论光场复振幅分布情况；
[0028]图6是本专利技术具体实施方式一中CCD测得的光场复振幅分布情况与采用的掩膜版。
[0029]以上各图中，表示复振幅分布的均包含两个图，其中，左侧表示光场的归一化光强分布，右侧表示相位分布，在归一化光强分布图中，曲线表示光场的归一化强度分布曲线，曲线右上角表示光斑图像。
具体实施方式
[0030]具体实施方式一：本实施方式提供了一种产生平顶光束/平顶涡旋光束的方法。本实施例中，目标平顶光束是指在光束横截面上具有均一光强分布及均一相位分布的傍轴光束，也称完美平顶光束，而目标平顶涡旋光束是指携带涡旋相位且中心涡旋奇点处光强光滑变化的完美平顶光束。
[0031]在柱坐标系中，完美平顶光束/平顶涡旋光束在束腰平面z＝z0处的复振幅分布用超高斯函数描述为：
[0032][0033]其中，w为光束束腰大小，k为波矢量，正整数n(n≥2)则被称为超高斯分布的阶数。通常n＝2时，光束横向分布为常见的高斯分布；而当n＞2时，即为本实施例所述的完美平顶光束，且n越大，光束横截面的平整性越好。
[0034]在此基础上，完美平顶涡旋光束可以方便地表述为超高斯分布与螺旋相位因子的叠加，完美平顶涡旋光束的复振幅可表示为：
[0035][0036]其中，l为涡旋相位的拓扑荷。特别地，当l＝0时，该光束将变为普通的平顶光束。
[0037]如图1所示，本实施例所述的产生完美平顶光束/平顶涡旋光束的方法包括如下步骤一至步骤四。
[0038]步骤一、计算目标完美平顶光束/平顶涡旋光束空间复振幅的空间傅里叶变换，得到傅里叶变换后的空间复振幅信息，这里的目标完美平顶光束/平顶涡旋光束表示想要获得的完美平顶光束/平顶涡旋光束。
[0039]公式(2)所示的完美平顶/涡旋光束并不是传播过程中形貌不变的傍轴本征模式。为实验产生该光束，可利用全息傅里叶法，于傅里叶透镜前焦面制备完美平顶光束/平顶涡旋光束的傅里叶光场，该完美平顶光束/平顶涡旋光束的傅里叶光场的复振幅可表示为：
[0040][0041]其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种产生完美平顶光束/平顶涡旋光束的方法，其特征在于，所述完美平顶光束表示在光束横截面上具有均一光强分布及均一相位分布的傍轴光束，完美平顶涡旋光束表示携带涡旋相位且中心涡旋奇点处光强光滑变化的完美平顶光束，所述方法包括：步骤一、计算完美平顶光束/平顶涡旋光束空间复振幅的空间傅里叶变换，得到傅里叶变换后的空间复振幅信息；步骤二、根据所述傅里叶变换后的空间复振幅信息确定闪耀光栅相位深度调制因子；步骤三、将闪耀光栅相位深度调制因子作为强度掩膜加载到相位掩膜上，得到复振幅掩膜；以及步骤四、利用所述复振幅掩膜对入射光进行调制，并对调制后的光束进行傅里叶变换，得到所述完美平顶光束/平顶涡旋光束。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤二之后，所述方法还包括：根据入射光的光强分布对所述闪耀光栅相位深度调制因子进行修正，得到修正后的闪耀光栅相位深度调制因子；所述步骤三中...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱智涵，姜嘉琪，吴海俊，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：