[發(fā)明專利]一種大尺度調(diào)控艾里光束傳輸軌跡的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710320057.3
• 申請(qǐng)日: 2017-05-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107346043A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳瓊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江師范大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B5/30
• 分類號(hào): G02B5/30;G02B27/28
• 代理公司: 杭州知瑞知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司33271
• 代理人: 陳宜芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光束的傳輸軌跡控制技術(shù)，公開(kāi)了一種大尺度調(diào)控艾里光束傳輸軌跡的方法。基于產(chǎn)生艾里光束的立方相位傅立葉變換的定義，在相位掩膜板中心偏離傅立葉變換透鏡光軸的情況下，推導(dǎo)出了艾里光束的峰值軌跡。理論推導(dǎo)結(jié)果表明，傅里葉變換透鏡光軸和相位板中心的錯(cuò)位越大，艾里加速光束的傳輸軌跡可控制范圍越大。

本發(fā)明利用全息打印技術(shù)制作大尺寸的相位掩膜板，可以較大范圍調(diào)控艾里光束傳輸軌跡。靈活可控的傳輸軌跡，為艾里光束更好地應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域，提供了更具實(shí)用性的加速光源。

背景技術(shù)

艾里光束是一種新型無(wú)衍射光束。艾里光束的新穎特性在于，它在傳播過(guò)程中能夠橫向加速，類似于彈丸在重力作用下的加速拋物彈道軌跡。沿彎曲軌跡傳輸?shù)募铀偬匦裕蓱?yīng)用于粒子微觀操控等各種科學(xué)領(lǐng)域。不同的科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要艾里光束沿不同的曲線軌跡傳輸，近年來(lái)，人們采取各種辦法，實(shí)現(xiàn)艾里光束的傳輸軌跡控制。

Zhang P等用金屬薄膜耦合光柵產(chǎn)生艾里等離子激元實(shí)現(xiàn)光束運(yùn)動(dòng)軌跡控制[Phys.Rev.Lett.,2007,99(21):213901]，Ye Z等利用改變光誘導(dǎo)晶體梯度折射率梯度來(lái)改變艾里光束的加速方向[Opt.Lett.,2011,36(16):3230]，Liu W等通過(guò)楔形的金屬-電介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生線性光勢(shì)對(duì)艾里光束等離子激元進(jìn)行軌跡操控[Opt.Lett.,2011,36(7):1164]。Efremidis N K研究了不同的折射率梯度中艾里光速傳輸?shù)奶匦訹Opt.Lett.,2011,36(15):3006]，Dolev I等發(fā)現(xiàn)通過(guò)非線性光子晶體可產(chǎn)生艾里光束，改變同一非線性光子晶體的溫度能改變二次諧波產(chǎn)生和差頻產(chǎn)生的相位匹配條件，從而改變輸出光束的加速方向[Opt.Lett.,2010,35(10):1581]。

G.A.Siviloglou和Chen Z G等利用傅立葉變換透鏡、入射光束和相位調(diào)制元件之間中心偏離的辦法，給艾里光束引入初始發(fā)射角，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)艾里光束傳輸軌跡的控制[Opt.Lett.,2010,35(13):2260；Opt.Lett.,2008,33(3):207]。該方法簡(jiǎn)單而有效，但由于傳統(tǒng)的相位調(diào)制元件——空間光調(diào)制器尺寸有限，引入的偏移量較小。這就大大限制了對(duì)艾里光束傳輸軌跡的調(diào)控范圍。

發(fā)明內(nèi)容

利用傅立葉變換透鏡和相位調(diào)制元件之間中心偏離的辦法，來(lái)實(shí)現(xiàn)艾里光束傳輸?shù)能壽E控制，是一種簡(jiǎn)單有效的方法，但傳統(tǒng)的相位調(diào)制元件——空間光調(diào)制器(SLM)有限的尺寸，限制了艾里光束傳輸軌跡的控制范圍。

本發(fā)明提供了一種大尺度調(diào)控艾里光束傳輸軌跡的方法。主要是利用全息打印的技術(shù)，用全息縮微輸出系統(tǒng)來(lái)制作大尺寸立方相位掩膜板，通過(guò)相位掩膜板偏離光軸中心的方法，偏離距離越大，艾里光束的初始發(fā)射角變換幅度越大。用全息縮微輸出系統(tǒng)來(lái)制作的大尺寸立方相位掩膜板，為實(shí)現(xiàn)艾里光束傳輸軌跡的大幅度調(diào)控，奠定了基礎(chǔ)。

本發(fā)明技術(shù)的理論基礎(chǔ)如下：

經(jīng)典的產(chǎn)生艾里光束的方法是用平行光入射到立方相位掩模板，再經(jīng)傅立葉變換透鏡變換后得到。以透鏡的光軸為z軸，立方相位掩模板的傅立葉變換過(guò)程，數(shù)學(xué)上可寫為：

其中

u(ξ,η)＝exp[ikφ(ξ,η)].(2)

(1)式中，(ξ,η)和(x₀,y₀)為截面坐標(biāo)，k＝2π/λ為波數(shù)。z為以傅里葉變換透鏡后焦面為起點(diǎn)的縱向傳輸坐標(biāo)。f為傅里葉變換透鏡的焦距。

(2)式為平行光入射到相位掩模板后的光束振幅分布。

如果相位掩膜板中心偏離傅立葉變換透鏡光軸，即相位掩模板中心位于(ξ₀,η₀)，則有

φ(ξ,η)＝β[(ξ-ξ₀)³/3+(η-η₀)³/3].(3)

(3)式為產(chǎn)生艾里光束的相位分布，其中β為控制常數(shù)。

經(jīng)典產(chǎn)生艾里光束的方法，均要求相位掩模板中心與光軸重合，即相位掩模板中心位于(0,0)處。

(3)式帶入(2)式后再帶入(1)式，積分后可得

根據(jù)艾里函數(shù)的定義，可知|Ai(-1.018)|為艾里函數(shù)最大值，由式(4)，可求得艾里光束的峰值軌跡為