[發(fā)明專利]用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法及其光路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910391498.1
• 申請日: 2019-05-10
• 公開（公告）號: CN110119028B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陶少華;包棟杰
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B27/09
• 代理公司: 長沙永星專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;米中業(yè)

本發(fā)明公開了一種用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，包括設(shè)置光束整形參數(shù)；計(jì)算得到輸入平面的復(fù)振幅和輸出平面的復(fù)振幅；將目標(biāo)振幅分解為兩個(gè)相互垂直方向上的分量并確定兩個(gè)方向上的相位差；得到修正復(fù)振幅和輸入平面的相位；輸出最終的輸入平面的相位作為純相位全息圖；得到目標(biāo)光束。本發(fā)明可以控制光場中任一點(diǎn)的振幅、相位和偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)任意形狀、相位分布和偏振態(tài)的光束整形；同時(shí)，本發(fā)明方法得到的是一個(gè)純相位全息圖，方便使用空間光調(diào)制器或制成衍射光元件、位相片來實(shí)現(xiàn)，完成對光束振幅和相位的整形；方法快速，整形效果好，且適用光路及設(shè)備儀器簡單；同時(shí)本發(fā)明提供的光路具有設(shè)置和校準(zhǔn)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明具體涉及一種用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法及其光路。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的激光器只能產(chǎn)生高斯輪廓或特定輪廓的光強(qiáng)光束，而實(shí)際科研和生產(chǎn)中，不同領(lǐng)域?qū)馐妮喞?、偏振、相位分布等有不同的需求。近幾十年對于激光光束的振幅、相位和偏振態(tài)的整形和研究顯示，有目的地對光束進(jìn)行整形，可以得到新的光束性質(zhì)及應(yīng)用?？臻g光調(diào)制器(SLM)是一種能對光波的振幅或位相進(jìn)行調(diào)制的器件。通過在SLM上加載全息圖，對入射光束的波前進(jìn)行調(diào)制，來獲得特定振幅、相位、及偏振分布的目標(biāo)光束，能實(shí)現(xiàn)對粒子、納米線或者細(xì)胞器等復(fù)雜操控，也可以將算法得到的相位分布制成相位片，進(jìn)行光鑷操作。

Gerchberg-Saxton(GS)算法是具有代表性的迭代型光束整形算法之一。經(jīng)過近幾年的研究和發(fā)展，研究人員提出一些基于GS的修正算法，但僅能同時(shí)對光束振幅和相位整形。現(xiàn)有能同時(shí)對光束的振幅、相位和偏振整形的算法和對應(yīng)的方法，則存在一些缺陷：如目標(biāo)光束必須能用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)、產(chǎn)生的光束組合方式有限、光路搭建復(fù)雜和校準(zhǔn)困難，且無法利用單個(gè)位相相片實(shí)現(xiàn)同時(shí)對任一點(diǎn)的振幅、相位和偏振態(tài)的控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)所述用于任意光束的振幅、相位和偏振的算法和外部光路，將復(fù)振幅整形算法實(shí)現(xiàn)的任意振幅、相位的重建光束進(jìn)行復(fù)合，最終實(shí)現(xiàn)任意光束的振幅、相位和偏振的同時(shí)整形。

本發(fā)明提供的這種用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，包括如下步驟：

S1.設(shè)置光束整形參數(shù)；

S2.根據(jù)步驟S1設(shè)置的參數(shù)，計(jì)算得到輸入平面的復(fù)振幅；

S3.根據(jù)步驟S2得到的輸入平面的復(fù)振幅，計(jì)算得到輸出平面的復(fù)振幅；

S4.根據(jù)正交分解，將目標(biāo)振幅分解為兩個(gè)相互垂直方向上的分量，再根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的目標(biāo)偏振態(tài)，確定兩個(gè)方向上的相位差；

S5.根據(jù)實(shí)際整形的目標(biāo)復(fù)振幅和輸入光束的復(fù)振幅，得到修正復(fù)振幅；

S6.根據(jù)步驟S5得到的修正復(fù)振幅，計(jì)算得到輸入平面的相位；

S7.將步驟S6得到的輸入平面的相位帶入步驟S3中的輸入平面的復(fù)振幅，并重復(fù)步驟S3～S6，直至滿足事先設(shè)定的條件，并輸出最終的步驟S6得到的輸入平面的相位作為純相位全息圖；

S8.將經(jīng)過整形后具有特定振幅和相位的偏振光束，在棱鏡的作用下被分割成兩束，分別在半波片的作用下調(diào)整偏振方向，最終在合束器中復(fù)合，得到目標(biāo)光束。

步驟S1所述的光束整形參數(shù)，具體包括光束輸入平面的約束振幅A₀，入射光的初始相位P₀，整形迭代次數(shù)為N，并隨機(jī)獲得入射光的初始相位；整形迭代次數(shù)為步驟S7所述的事先設(shè)定的條件。

所述的光束輸入平面的約束振幅A₀為平面型或高斯型。