[發明專利]基于膠片振幅調制和錐鏡相位調制產生Mathieu光束的方法

有效

• 申請號: 201810314144.2
• 申請日: 2018-03-28
• 公開（公告）號: CN108594444B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 任志君;吳瓊;劉士陽
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

基于膠片振幅調制和錐鏡相位調制產生Mathieu光束的方法，是一種精確、高效地產生一簇無衍射Mathieu光束的方法。該方法基于角向Mathieu函數的定義，首先構造具有角向Mathieu函數分布的振幅分布灰度圖，再將灰度圖顏色黑白反轉，用膠片輸出儀打印在高分辨率膠片上，打印好的膠片經曝光處理后，得到具有角向Mathieu函數分布的振幅調制膠片。將制作的膠片緊貼錐鏡入瞳面放置，入射的平行光束經膠片調制振幅、錐鏡調制相位后，在錐鏡后產生Mathieu光束。本發明實驗裝置結構簡單，可以方便、精確地產生Mathieu光束。

技術領域

本發明涉及結構光束的產生、調控及變換技術，是一種利用膠片和錐鏡精確產生Mathieu光束的方法。

背景技術

很多科學實驗，比如光與物質相互作用，需要形態穩定不變的光束。但衍射是最普遍的光學現象。光束傳輸過程中的衍射效應，導致光束展寬及形變。為克服光波的衍射，近年來引入和產生的無衍射結構光束，是構建傳輸不變光束的一種重要手段。無衍射結構光束是波動方程的特解，這類光束的一個共同特點是，光束分布與傳輸距離無關。因此無衍射結構光束能在光與物質相互作用的許多研究方面，發揮著特殊的作用。1987年，在自由空間產生的第一種具有實用價值的無衍射光束是Bessel光束。

在實際的科學研究中，不同類型的科學實驗需要不同光學形態的無衍射光束。通過激光調制技術，實現光束分布及其光束拓撲特性的多樣化，是激光技術的一個重要研究方向。2000年，在橢圓柱坐標下，通過求解波動方程，人們找到了一種新的傳輸不變解——Mathieu函數解[Opt.Lett.25(20)，1493(2000)]。這表明，滿足Mathieu函數分布的光束，也是一種無衍射光束。相對于Bessel光束，Mathieu光束的光學形態更為豐富(事實上，Bessel光束只是Mathieu光束的一個特例)，但實驗產生也復雜的多。

在無衍射Mathieu光束的產生方面，Marcelino Anguiano-Morales等利用錐鏡和有一定張角的透明扇形相結合，產生了光學形態接近Mathieu函數的近似Mathieu光束[Opt.Commun.281，401(2008)]。但近似Mathieu光束，并不具有理想的無衍射傳輸特性。

在實際的使用中，唯有精確產生Mathieu光束，才能將其更好地用于實際的科學研究。利用Durnin裝置，可以精確地產生Mathieu光束，見引文[Opt.Commun.222，75(2003)]和[光學學報，37(2)：0205002(2017)]。但因為Durnin裝置只能利用透射圓環部分的少量光能量產生Mathieu光束，對光能的利用率較低。

發明內容

本發明提供了一種高效、精確產生Mathieu光束的方法。通過具有角向Mathieu函數振幅分布的膠片作為振幅調制元件，合并錐鏡的相位調制特性產生Mathieu光束。

本發明利用膠片輸出儀(型號：Propalette 8000)制作具有角向Mathieu函數振幅分布的振幅調制元件。首先通過角向Mathieu函數，計算得到具有角向Mathieu函數的振幅分布灰度圖，再將灰度圖顏色黑白反轉，用膠片輸出儀打印在高分辨率感光膠片上。打印好的膠片經過照相底片沖洗工藝，得到振幅調制元件——振幅調制膠片。

膠片制作好后，將膠片緊貼錐鏡入射面固定，入射平行光經膠片振幅調制和錐鏡相位調制后，經菲涅爾衍射后產生Mathieu光束。

本發明產生Mathieu光束的理論過程如下：