專利名稱：一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次無衍射貝塞爾光束陣列的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光信息處理技術(shù)，特別是一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次無衍射 貝塞爾光束陣列的方法及其裝置，該無衍射貝塞爾光束陣列可在三維測量、光鑷、多微粒操 控和光漩渦等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。
背景技術(shù)：
光的衍射是自然界中一種常見的物理現(xiàn)象，幾乎影響所有的傳統(tǒng)的波場的傳播， 人們試圖去尋找一種新的光場——無衍射光。直到20世紀(jì)50年代，Mcleod研究了圓錐透 鏡的光束傳播特性，指出該透鏡不同于傳統(tǒng)的透鏡，當(dāng)平面入射光波通過該透鏡時(shí)，在其后 方特定的傳播范圍內(nèi)，其橫向光場的分布情況不變，基本不存在傳統(tǒng)的衍射現(xiàn)象。Durnin J 通過求解自由空間波動(dòng)方程得到零階貝賽爾函數(shù)形式的解，正式提出“無衍射貝塞爾光束” 的概念，并且在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下證明了該解所對應(yīng)的光波具有無衍射特性。由于無衍射光具 有傳統(tǒng)光源無法比擬的特性，并具有較高的應(yīng)用價(jià)值，引起國內(nèi)外大量研究學(xué)者的關(guān)注。進(jìn) 一步研究無衍射貝塞爾光束理論基礎(chǔ)，傳播特性和實(shí)現(xiàn)方法，為將來的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的 ■石出。近三十年來，研究者也提出了很多實(shí)現(xiàn)無衍射貝塞爾光束的方法，主要有圓錐透 鏡法、環(huán)縫法、計(jì)算機(jī)全息法、諧振腔法、球面像差法、偏轉(zhuǎn)拋物鏡法、相位全息法等。這些方 法均可有效產(chǎn)生無衍射貝塞爾光束。顯然，若將這些無衍射貝塞爾光束按照一定的規(guī)律排列，便得到無衍射貝塞爾光 束陣列。有研究者提出振幅型掩模板產(chǎn)生無衍射貝塞爾光束陣列，計(jì)算機(jī)全息法產(chǎn)生無衍 射貝塞爾光束陣列等方法，通過拼接多張全息圖，產(chǎn)生無衍射貝塞爾光束陣列，但這些方法 不僅光能使用效率較低，而且產(chǎn)生任意階次無衍射貝塞爾光束陣列方法也比較復(fù)雜。隨著研究的逐步深入，無衍射貝塞爾光束陣列將在三維測量、多粒子操控和光漩 渦等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有產(chǎn)生任意階次無衍射貝塞爾光束及光束陣列方法復(fù)雜，光能使用效率 較低的技術(shù)不足，本發(fā)明公開一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣列的 方法及其裝置。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)基于相全息圖生成任意階次的無衍射貝塞爾光束陣列方法的發(fā)明目 的采用的技術(shù)方案是該方法是由下列步驟實(shí)現(xiàn)的
⑴、利用一束單色平面光波照射空間光調(diào)制器中顯示的一組按設(shè)計(jì)要求排列的相同特 征值的相全息⑵、相全息圖經(jīng)傅里葉變換后，在其傅里葉頻譜面上產(chǎn)生唯一能量集中的亮環(huán)； ⑶、將步驟⑵獲得的能量集中的亮環(huán)經(jīng)環(huán)形空間濾波器濾出；⑷、將步驟⑶環(huán)形空間濾波器濾出能量集中的亮環(huán)再次進(jìn)行傅里葉變換，即可產(chǎn)生無 衍射貝塞爾光束陣列。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣列的裝置的發(fā)明 采用的技術(shù)方案是該裝置包括光源101、光波擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組102、空間光調(diào)制器103、傅 里葉透鏡一 104、環(huán)形空間濾波器105、傅里葉透鏡二 106和產(chǎn)生相全息圖的計(jì)算機(jī)控制系 統(tǒng)108，光波擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組102、空間光調(diào)制器103、傅里葉透鏡一 104、環(huán)形空間濾波器 105和傅里葉透鏡二 106按光路傳播方向依次設(shè)置，產(chǎn)生相全息圖的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)108 與空間光調(diào)制器103連接，光源101與光波擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組102對應(yīng)設(shè)置?？臻g光調(diào)制器 (103)和攝像機(jī)(107)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(108)連接。本發(fā)明的有益效果是，通過該相全息法產(chǎn)生無衍射貝塞爾光束陣列，該方法相對 于傳統(tǒng)的全息法，有著更高的能量使用效率，根據(jù)需要，改變寫入空間光調(diào)制器中的相全息 圖，可以獲得任意階次、任意位置的無衍射貝塞爾光束陣列。附圖
中，101光源，102光波擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組，103空間光調(diào)制器，104傅里葉透鏡一， 105環(huán)形空間濾波器，106傅里葉透鏡二，107攝像機(jī)，108計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，110分光棱鏡。
具體實(shí)施例方式參看附圖3a、3b、3c、3d，一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束的 方法，任意階次是指無衍射貝塞爾函數(shù)的階次7，且7為整數(shù)，該方法是由下列步驟實(shí)現(xiàn)的
⑴、利用一束單色平面光波照射空間光調(diào)制器中顯示的相全息圖； ⑵、相全息圖經(jīng)傅里葉變換后，在其傅里葉頻譜面上產(chǎn)生唯一能量集中的亮環(huán)； ⑶、將步驟⑵獲得的能量集中的亮環(huán)經(jīng)環(huán)形空間濾波器濾出； ⑷、將步驟⑶環(huán)形空間濾波器濾出能量集中的亮環(huán)再次進(jìn)行傅里葉變換，即可產(chǎn)生無 衍射貝塞爾光束。該方法實(shí)施例中，所述的相全息圖是由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)生成并寫入空間光調(diào)制器 中。該方法實(shí)施例中，所述的激光光源生成的激光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直處理后形成單色平面光 波，照射空間光調(diào)制器中顯示的相全息圖。該方法實(shí)施例中，在使用反射空間光調(diào)制器時(shí)，所述的一束單色平面光波經(jīng)分光 棱鏡后照射空間光調(diào)制器中顯示的相全息圖。一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣列的方法，該方法是由下 列步驟實(shí)現(xiàn)的
⑴、利用一束單色平面光波照射空間光調(diào)制器中顯示的一組按設(shè)計(jì)要求排列的相同特 征值的相全息⑵、相全息圖經(jīng)傅里葉變換后，在其傅里葉頻譜面上產(chǎn)生唯一能量集中的亮環(huán)； ⑶、將步驟⑵獲得的能量集中的亮環(huán)經(jīng)環(huán)形空間濾波器濾出； ⑷、將步驟⑶環(huán)形空間濾波器濾出能量集中的亮環(huán)再次進(jìn)行傅里葉變換，即可產(chǎn)生無 衍射貝塞爾光束陣列。該方法實(shí)施例中，所述的一組相同特征值的相全息圖由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)生成并按 設(shè)計(jì)要求排列寫入空間光調(diào)制器中。該方法實(shí)施例中，所述的激光光源生成的激光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直處理后形成單色平面光 波照射空間光調(diào)制器中顯示的相全息圖。該方法實(shí)施例中，在使用反射空間光調(diào)制器時(shí)，所述的一束單色平面光波經(jīng)分光 棱鏡后照射空間光調(diào)制器中顯示的相全息圖。上述產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束及其陣列的方法的理論分析如下
附圖3a、3b、3c、3d，第一類零階無衍射貝塞爾光束的仿真結(jié)果，首先我們假設(shè)無衍射貝 賽爾光場分布為
其中上式中，《是7階第一類貝塞爾函數(shù)，i=r/7 ，r和θ為極坐標(biāo)，假定貝賽爾光場 分布在以/P為半徑的圓內(nèi)，α為波矢量的徑向頻率。
由于受到孔徑的限制，若ρ{ξ}=circ {ξ),此時(shí)通過相全息產(chǎn)生的貝賽爾光場分 布可以定義為
權(quán)利要求
1.一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣列的方法，其特征在于該 方法是由下列步驟實(shí)現(xiàn)的(1)、利用一束單色平面光波照射空間光調(diào)制器中顯示的一組按設(shè)計(jì)要求排列的相同特 征值的相全息圖；⑵、相全息圖經(jīng)傅里葉變換后，在其傅里葉頻譜面上產(chǎn)生唯一能量集中的亮環(huán)；⑶、將步驟⑵獲得的能量集中的亮環(huán)經(jīng)環(huán)形空間濾波器濾出；⑷、將步驟⑶環(huán)形空間濾波器濾出能量集中的亮環(huán)再次進(jìn)行傅里葉變換，即可產(chǎn)生無 衍射貝塞爾光束陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣列 的方法，其特征在于所述的一組相同特征值的相全息圖由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)生成并按設(shè)計(jì) 要求排列寫入空間光調(diào)制器中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣 列的方法，其特征在于所述的一束單色平面光波直接照射空間光調(diào)制器中顯示的相全息 圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣 列的方法，其特征在于所述的一束單色平面光波經(jīng)分光棱鏡后照射空間光調(diào)制器中顯示 的相全息圖。
5.一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣列裝置，其特征在于該 裝置包括光源(101)、光波擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組(102)、空間光調(diào)制器(103)、傅里葉透鏡一 (104)、環(huán)形空間濾波器(105)、傅里葉透鏡二(106)和產(chǎn)生相全息圖的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(108)，光波擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組(102)、空間光調(diào)制器(103)、 傅里葉透鏡一(104)、環(huán)形空間濾波器(105)和傅里葉透鏡二( 106)按光路傳播方向依次設(shè) 置，產(chǎn)生相全息圖的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(108)與空間光調(diào)制器(103)連接，光源(101)與光波 擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組(102)對應(yīng)設(shè)置，空間光調(diào)制器(103)和攝像機(jī)(107)分別與計(jì)算機(jī)控制系 統(tǒng)(108)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣列 裝置，其特征在于所述的空間光調(diào)制器(103)為透射式空間光調(diào)制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣列 裝置，其特征在于所述的空間光調(diào)制器(103)為反射式空間光調(diào)制器，在光波擴(kuò)束準(zhǔn)直透 鏡組(102)與空間光調(diào)制器(103)之間設(shè)置有分光棱鏡(110)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣列 裝置，其特征在于所述的光波擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組(102)是由兩個(gè)透鏡組成的雙透鏡擴(kuò)束準(zhǔn) 直透鏡組。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次的無衍射貝塞爾光束陣列 裝置，其特征在于所述的光源(101)為激光發(fā)生器。
全文摘要
一種基于相全息圖產(chǎn)生任意階次無衍射貝塞爾光束陣列的方法及其裝置，克服現(xiàn)有方法復(fù)雜，光能使用效率較低的技術(shù)不足，方法采用的方案是，利用一束單色平面光波照射空間光調(diào)制器中一組按設(shè)計(jì)要求排列的相同特征值的相全息圖，相全息圖經(jīng)傅里葉變換后，產(chǎn)生唯一能量集中的亮環(huán)，亮環(huán)經(jīng)環(huán)形空間濾波器濾出，再次進(jìn)行傅里葉變換，即可產(chǎn)生無衍射貝塞爾光束陣列。裝置采用的方案是，光波擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組、空間光調(diào)制器、傅里葉透鏡一、環(huán)形空間濾波器和傅里葉透鏡二按光路傳播方向依次設(shè)置。其優(yōu)點(diǎn)是，該方法能量使用效率高，根據(jù)需要，改變寫入空間光調(diào)制器中的相全息圖，可以獲得任意階次、任意位置的無衍射貝塞爾光束陣列。
文檔編號G03H1/22GK102109680SQ201110050590
公開日2011年6月29日 申請日期2011年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者李 東, 田勁東, 胡名西 申請人:深圳大學(xué)