[發(fā)明專利]自由空間形成時空艾里光束的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110315960.3
• 申請日: 2011-10-09
• 公開（公告）號: CN102346305A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 任志君;范長江;趙亞輝;周衛(wèi)東
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江師范大學(xué)
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光束的傳輸與變換技術(shù)，是一種利用衍射效應(yīng)和空間誘導(dǎo)色散效應(yīng)，在自由空間形成時空域均為艾里分布光束的方法。

背景技術(shù)

衍射是光波的基本傳輸現(xiàn)象。就光的本性而言，衍射的存在使得光束在傳輸過程中空間擴展。但在強場科學(xué)、生物光學(xué)、原子光學(xué)、光譜學(xué)等研究領(lǐng)域，特別需要一種可長距離穩(wěn)定傳輸?shù)墓馐Ｒ虼耍L期以來，為實現(xiàn)光波的遠距離穩(wěn)定傳輸，人們做了很多努力。近年來實現(xiàn)的無衍射光束就是這樣一種光波，它能在很長的傳輸距離內(nèi)保持強度分布不變。最為典型的無衍射光束是貝賽爾光束，曾被應(yīng)用到很多領(lǐng)域。

1979年，理論上預(yù)言了一種新的無衍射光束——艾里光束的存在(American?Assiciation?of?Physics?Techers，Vol.47，No.3，264～267，1979)。2007年，在實驗室形成了艾里光束(Physical?Review?Letters，Vol.99，No.21，213901-1～213901-4，2007)。不同于貝賽爾光束，艾里光束由于具有橫向自由加速的特性，是近幾年的研究熱點。

艾里光束是具有三次位相結(jié)構(gòu)的光波經(jīng)傅立葉變換透鏡會聚所得，光束的主瓣大小約為波長量級，與普通光波經(jīng)透鏡會聚后所得焦點的大小相近，因而光能量非常集中。由于無衍射艾里光束在長距離傳輸過程中，能始終保持光波能量空間不擴散，這等價于光束具有很長的焦深，因此特別適合于光與物質(zhì)的相互作用。艾里光束用于光與物質(zhì)相互作用時，經(jīng)常要求超高功率密度，所以實驗中經(jīng)常使用的是超短脈沖艾里光束。脈沖艾里光束在傳輸過程中，我們不僅希望它能保持空域不衍射，也希望它能保持時域不擴展。

考慮到光強分布為艾里分布的光束在傳輸過程中能保持模式不變。結(jié)果，人們希望得到這樣一種光束，這種光束不僅空域分布為二維艾里分布，而且一維時域分布也為艾里分布，這種光束即為時空艾里光束。時空艾里光束在傳輸過程中，具有空域不衍射、時域不擴展的優(yōu)良特性，因而在實際應(yīng)用中具有特殊的用途[Nature.Photonics，Vol.4，103～106，2010]。這促使了人們采用特定的方式來形成時空艾里光束。

由于在空間域產(chǎn)生二維艾里光束的方法已經(jīng)成熟。因此，形成時空艾里光束的關(guān)鍵是，通過特定的技術(shù)，能使脈沖的時域分布也演化為艾里分布。過去，將空域為二維艾里分布的光束耦合到波導(dǎo)介質(zhì)，利用波導(dǎo)的二階色散效應(yīng)和三階色散效應(yīng)，結(jié)果使得脈沖艾里光束在時域也演化為艾里分布，最終形成了時空艾里光束[Physical?Review?E.Vol.78，No.4，046605-1～046605-6，2008]。這里需要指出，在脈沖時域演化為艾里分布的過程中，三階色散效應(yīng)是必須的。雖然利用波導(dǎo)介質(zhì)中的二、三階色散效應(yīng)，能夠形成時空艾里光束，但這種方法存在著巨大局限。主要體現(xiàn)在：

a)二維艾里光束并不能很容易的耦合到波導(dǎo)介質(zhì)中。

b)由于波導(dǎo)尺寸有限，會空間切割艾里光束，被切割的艾里光束很難再保持長距離的無衍射傳輸(Physical?Review?Letters，Vol.99，No.21，213901-1～213901-4，2007)。

c)強的脈沖艾里光束在波導(dǎo)介質(zhì)中傳輸時，光強所致的波導(dǎo)介質(zhì)非線性效應(yīng)會改變艾里光束的分布結(jié)構(gòu)(Physical?Review?Letters，Vol.106，No.21，213903-1～213903-4，2011)。

d)由于波導(dǎo)介質(zhì)很難承受高強度光束。結(jié)果，利用這種方法并不能形成高功率的時空艾里光束。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服利用波導(dǎo)介質(zhì)中的二、三階色散形成時空艾里光束的局限，是一種利用空間誘導(dǎo)的色散效應(yīng)，來形成時空艾里光束的方法。

本發(fā)明的最大好處，是直接利用空間誘導(dǎo)的二、三階色散效應(yīng)，使得空間為艾里分布的脈沖光束在自由空間傳輸過程中，時域分布也逐漸演化為艾里分布。最后形成了時空域皆為艾里分布的時空艾里光束。由于無需借助波導(dǎo)，因此這種方法特別易于形成超高功率時空艾里光束。

由于本發(fā)明主要利用空間誘導(dǎo)色散效應(yīng)使脈沖光束的時域分布演化為艾里分布，因此先介紹脈沖艾里光束在自由空間傳輸過程中的空間誘導(dǎo)色散效應(yīng)。

理論上，理想艾里光束可在無限長的距離內(nèi)，保持光強模式不變的無衍射傳輸。艾里光束的表達式為：

U(x，y)∝Ai(x/X)Ai(y/Y)??????(1)

式中，X、Y分別為艾里函數(shù)空間分布參數(shù)，X、Y決定著艾里光束主瓣的束寬。本發(fā)明為便于敘述，令X＝Y(jié)。