[發明專利]一種參數可調節的貝塞爾光束產生裝置及其產生方法

有效

• 申請號: 201510091152.1
• 申請日: 2015-02-28
• 公開（公告）號: CN104635344B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 李新忠;臺玉萍;杜凱;王輝;王靜鴿;甄志強;李賀賀
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/46
• 代理公司: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙)41120
• 代理人: 羅民健

技術領域

本發明涉及一種貝塞爾光束產生裝置和產生方法，具體的說涉及一種參數可靈活調節的貝塞爾光束產生裝置及其光束產生方法，可廣泛應用于微粒光操縱、光學測試等領域。

背景技術

貝塞爾光束是自由空間標量波動方程的一組特殊解，其光場分布具有第一類貝塞爾函數的形式。1987年，J.?Durnin首次提出了貝塞爾光束的無衍射特性，將貝塞爾光束稱為無衍射光束。貝塞爾光束在微制造、微納光學以及光鑷等領域，特別是對超冷粒子的操控上具有重要的應用前景。而現實中沒有直接發射貝賽爾光束的光源，因此，研究如何產生高質量、參數可調節的貝賽爾光束成為信息光學中的一個研究熱點。

在貝賽爾光束的產生方法中，經文獻檢索，發明專利“產生徑向貝塞爾-高斯光束的系統和方法”(公開號為102981277A，公開日為2013.03.20)，提供了一種產生徑向偏振貝塞爾-高斯光束的系統和方法，該方法可以通過產生不同的全息圖來產生不同環數的徑向偏振貝塞爾高斯光束；發明專利“基于圓環達曼光柵的貝塞爾光束產生器”(授權號為ZL201110388322.4，授權日為2013.10.30)，提出一種基于圓環達曼光柵的貝塞爾光束產生器，該裝置能產生微米級聚焦光斑和超長焦深的貝塞爾光束；發明專利“一種基于相全息圖產生任意階次無衍射貝塞爾光束陣列的方法和裝置”(公開號102981277A，公開日為2013.03.20)，該方法能量利用率高，可獲得任意階射貝塞爾光束陣列。然而，在這些貝賽爾光束的產生方法中，一旦光學元件選定，所生成的貝賽爾光束的特性就固定下來；但在很多應用場合，需要對貝賽爾光束的光斑大小及焦深等參數進行實時調節，以適應光學系統的要求。

分析可知，在現有產生貝賽爾光束的技術中，尚缺少一種對貝賽爾光束參數進行實時在線可調節的產生裝置和產生方法。

發明內容

為解決上述技術問題，提供了一種參數可實時在線調節的貝塞爾光束產生裝置及其產生方法。

本發明采用如下技術方案：一種參數可調節的貝塞爾光束產生裝置，包括一連續波激光器，該連續波激光器發出的光束被全反鏡反射后進入濾波器，然后經凸透鏡準直，準直后的光束經起偏器后變為線偏振光，照射在分束立方體上；

經分束立方體后的光束被分為兩束，一路為反射光，一路為透射光；反射光照射在反射式空間光調制器上，經反射式空間光調制器反射后產生渦旋光束，渦旋光束經過分束立方體、檢偏器后照射在光闌上；

經過光闌后的渦旋光束垂直照射在透射式空間光調制器上，經過透射式空間光調制器后產生貝賽爾光束，貝賽爾光束在CCD相機中成像，并存儲進計算機進行分析；

所述的濾波器與凸透鏡間的距離為該凸透鏡的焦距；所述的反射式空間光調制器、透射式空間光調制器、CCD相機分別與計算機相連。

進一步優化，一種參數可調節的貝塞爾光束產生裝置，所述的濾波器為針孔濾波器。

一種參數可調節的貝賽爾光束產生方法，步驟如下：

步驟一、利用衍射光學元件設計的Gershberg-Saxton迭代算法，產生參數可調節的錐透鏡衍射光學元件相位圖，寫入透射式空間光調制器，具體過程如下，

垂直入射到錐透鏡上的渦旋光束的電場表示為：

其中，?為振幅常數，為束腰半徑，為拓撲電荷數，為虛數單位；

錐透鏡的振幅透過率為：

式中，為錐透鏡材料折射率，為錐透鏡的錐角，即錐透鏡錐面與底平面的夾角；為波數，為錐透鏡光瞳半徑；

渦旋光束經過錐透鏡后的復振幅分布為：

以該復振幅所在平面為輸入平面，以其夫瑯禾費衍射平面為目標平面，由于輸入平面與目標平面是傅里葉變換關系，在輸入平面和目標平面間不斷利用傅里葉變換和傅里葉逆變換進行迭代計算；每個迭代過程中，在輸入平面和目標平面其相位利用變換后的相位，振幅分別用輸入平面振幅和目標平面振幅替換；經過次迭代運算后得到錐透鏡衍射光學元件相位圖；

步驟二、利用計算機將錐透鏡的相位圖寫入透射式空間光調制器；

步驟三、結合計算全息技術，生成渦旋光束與平面波的干涉相位圖；利用計算機寫入反射式空間光調制器；

步驟四、打開連續波激光器電源，連續波激光器發出的光束被全反鏡反射后，進入針孔濾波器、然后經凸透鏡準直，準直后的光束經起偏器后變為線偏振光，照射在分束立方體上；經分束立方體后的光束被分為兩束，一路為反射光，一路為透射光；所述的反射光束照射在反射式空間光調制器上；