專利名稱：一種產(chǎn)生部分相干艾里光束的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光束的傳輸與變換技術(shù)，具體涉及一種產(chǎn)生部分相干艾里光束的方法及其裝置，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)治療、光鑷、產(chǎn)生彎曲的等離子體通道和電子加速等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
空間有限大小的光波，由于攜帶了各個角度的傳播分量，在真空或均勻介質(zhì)中線性傳播時能量總是趨于發(fā)散分布，稱為光束的衍射。傳播相同的距離，尺寸越小的光束發(fā)生這種現(xiàn)象越明顯。近來，微納光子學(xué)的研究如火如荼，光束在這個尺度上的衍射更加不可避免。因此對光束進行無衍射調(diào)控具有很重要的應(yīng)用價值。1987年，美國羅徹斯特大學(xué)的光學(xué)專家J.Durnin首次提出無衍射光束，它是自由空間標量波動方程的一組特殊解，其場分布具有第一類零階貝塞耳函數(shù)J0的形式。它們的特點是在無界的自由空間傳播時，與傳播方向垂直的每個平面上光場分
布不變，并且具有高度的局域化強度分布。無衍射光束電場強度的橫向分布很集中，光場絕對不遭受到衍射擴展。這類光束具有主光斑尺寸小(約為波長量級)、強度高、方向性好、準直距離長等特點。它可以用于高精度定向或準直光學(xué)系統(tǒng)，也可作為光刀來探測大物體的性質(zhì)，或?qū)ξ⒚琢Ｗ舆M行光學(xué)操作，亦可用于激光加工如激光打孔等工業(yè)中。理想無衍射光束是非平方可積的，即攜帶無限大能量，物理上是不可能實現(xiàn)的。但的確有很多種試驗方法可以獲得有限束寬，即攜帶有限能量的近似無衍射光束。實際的近似無衍射光束在最大準直范圍內(nèi)，橫截面上光束近似不變。無衍射光束與高斯光束比較各有優(yōu)缺點，應(yīng)當視不同應(yīng)用目的而論。從這個意義上，人們更關(guān)注無衍射光束在光束準直、聚焦和整形中的實際意義的應(yīng)用研究。1979年，英國著名科學(xué)家M. Berry從理論上提出了一種無衍射的艾里波包。2007年，美國中佛羅里達大學(xué)的科學(xué)家D. Christodoulides等在光學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了艾里波包即艾里光束(Physical Review Letters，Vol. 99，No. 21，213901-1 213904-4，2007)。艾里激光束具有非常誘人的三大特性在傳播過程中自由加速(或橫向加速)，類似于重力作用下彈丸運動的彈道；在傳播過程中近似保持無衍射；在傳播過程中具有自愈的特性。它們在光學(xué)顆粒清除、生物醫(yī)學(xué)治療、光學(xué)激光成絲、光鑷和微粒捕獲、產(chǎn)生彎曲的等離子體通道及電子加速等領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)出非凡的特性。產(chǎn)生完全相干的艾里光束的方法非常多，比如用非線性光子晶體產(chǎn)生、用單透鏡及孔徑光闌產(chǎn)生、用二進制相位元件產(chǎn)生、用高分子分散液晶產(chǎn)生、用純相位圖像產(chǎn)生等方法。艾里光束的主瓣大小約為波長量級，與普通光束經(jīng)過透鏡聚焦后焦點附近的光斑大小相近，因而能量很集中。由于艾里光束在長距離傳輸時有很強的局域特性，能在很長的距離內(nèi)保持光波能量空間不擴散，相當于有很長的焦深，故特別適合應(yīng)用到光與物質(zhì)的相互作用方面。近年來人們開始關(guān)注光場的調(diào)控，主要包括振幅調(diào)控、位相調(diào)控以及相干性調(diào)控三種。相干性調(diào)控已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在光學(xué)成像，大氣光通訊，激光材料表面熱處理、慣性約束核聚變、激光涂敷，激光掃描，激光全息，非線性光學(xué)等領(lǐng)域。相干性調(diào)控很重要的一點就是產(chǎn)生部分相干光束。部分相干光束的產(chǎn)生大致可以分為三種方法第一種借助于現(xiàn)有的聞相干性的激光，用動態(tài)散射體，如旋轉(zhuǎn)的毛玻璃，聲光調(diào)制晶體，基于液晶的空間光調(diào)制器，來降低激光的相干性，通過散射體后光束相干性的大小主要取決于散射體的性質(zhì)。第二種方法是基于由擴展光源發(fā)出的非相干光，利用Van-Citter-Zernike定理使之成為部分相干光，或用被動激光諧振腔，用這種方法產(chǎn)生的部分相干光束的光強一般都偏低。第三種方法是利用一些互不相干的激光本征模的疊加來產(chǎn)生部分相干光束。這種方法可以用多模激光諧振腔振蕩通過腔內(nèi)調(diào)制，直接輸出所要求的光束模型，但現(xiàn)階段要人為合理的控制多模諧振腔的各個模式的振蕩并調(diào)節(jié)各個模式能量的權(quán)重是比較困難的，特別是實時調(diào)節(jié)各個模式的性質(zhì)，而且制作成本也很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種原理簡單，容易實現(xiàn)，具有實際應(yīng)用價值的部分相干艾里光束的產(chǎn)生方法，及結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低的部分相干艾里光束的產(chǎn)生裝置。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種產(chǎn)生部分相干艾里光束的方法，包括如下步驟
(1)對完全相干的高斯光束調(diào)整其相干性，得到部分相干高斯光束；
(2)將得到的部分相干高斯光束進行準直和光束強度分布整形處理；
(3)經(jīng)位相調(diào)制后，截取第一級衍射光束，得到部分相干艾里光束。本發(fā)明技術(shù)方案還包括提供一種產(chǎn)生部分相干艾里光束的裝置，由激光器發(fā)出完全相干的高斯光束，經(jīng)部分相干高斯光束調(diào)整器調(diào)整完全相干的高斯光束的相干性，得到部分相干高斯光束，所述的部分相干高斯光束調(diào)整器包括第一凸透鏡和旋轉(zhuǎn)毛玻璃片，通過改變第一凸透鏡和旋轉(zhuǎn)毛玻璃片之間的距離，調(diào)整高斯光束的相干性；得到的部分相干高斯光束再經(jīng)第二凸透鏡進行準直后，由高斯振幅濾波片進行光束強度分布整形，得到準直的部分相干高斯光束；再通過加載了位相信息圖的空間光調(diào)制器，在空間光調(diào)制器液晶顯示屏上進行位相調(diào)制后以反射方式出射；經(jīng)圓孔光闌截取第一級衍射光束，得到部分相干艾里光束。本發(fā)明所述的激光器為功率可調(diào)的半導(dǎo)體泵浦固體激光器；所述的空間光調(diào)制器為反射式空間光調(diào)制器，由計算機將位相信息圖加載到空間光調(diào)制器上，對入射光束進行位相調(diào)制。本發(fā)明所述的一種產(chǎn)生部分相干艾里光束的裝置還包括部分相干艾里光束的測量裝置，該測量裝置為光束分析儀及與其相連接的計算機，用于觀測和拍攝部分相干艾里光束的光強分布。由于上述技術(shù)方案的運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點
1、直接利用高斯光束產(chǎn)生部分相干艾里光束，原理簡單，容易實現(xiàn)；
2、裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，制造成本低；
3、不需要借助其它特殊的光學(xué)元件，裝置穩(wěn)定性好。


圖1是本發(fā)明實施例提供的一種部分相干艾里光束產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明實施例中在空間光調(diào)制器上加載的位相信息 圖3是本發(fā)明實施例中測量得到的產(chǎn)生的部分相干艾里光束的光強分布 圖中，1、激光器；2、第一凸透鏡；3、旋轉(zhuǎn)毛玻璃片；4、第二凸透鏡；5、高斯振幅濾波片；
6、空間光調(diào)制器；7、輸出位相信息圖用計算機；8、圓孔光闌；9、光束分析儀；10、測量用計算機。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步描述。實施例1 :
參見附圖1，它是本實施例提供的一種部分相干艾里光束產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖1所示，由激光器I發(fā)出完全相干的高斯光束，經(jīng)第一凸透鏡2和旋轉(zhuǎn)毛玻璃片3調(diào)整高斯光束的相干性，產(chǎn)生部分相干高斯光束；本實施例中，激光器I為功率可調(diào)的半導(dǎo)體泵浦固體激光器，最大輸出功率為1. 8W，波長為532. 8nm ;第一凸透鏡2的焦距felOOmm，旋轉(zhuǎn)毛玻璃片3由電動馬達驅(qū)動。部分相干高斯光束經(jīng)第二凸透鏡4和高斯振幅濾波片5進行準直和光強分布整形，本實施例中，第二凸透鏡4的焦距f2=250mm?？臻g光調(diào)制器6為反射式空間光調(diào)制器(H0L0EYE，PLUTO),由輸出位相信息圖用計算機7將位相信息圖加載到空間光調(diào)制器6，對經(jīng)準直和光強分布整形后得到的部分相干高斯光束進行位相調(diào)制；利用圓孔光闌8截取第一級衍射光束，得到部分相干艾里光束。光束分析儀9及與其相連接的測量用計算機10組成測量裝置，用于觀測和拍攝部分相干艾里光束的光強分布。利用上述裝置產(chǎn)生并測量部分相干艾里光束，具體操作步驟如下1、由激光器I發(fā)出近似完全相干的高斯光束，經(jīng)第一凸透鏡2和旋轉(zhuǎn)毛玻璃片3后，得到部分相干高斯光束。旋轉(zhuǎn)毛玻璃片3上的光斑尺寸大小影響光束相干性大小，通過改變第一凸透鏡2和旋轉(zhuǎn)毛玻璃片3之間的距離，可以改變光斑尺寸大小，從而改變高斯光束的相干性。2、部分相干高斯光束經(jīng)第二凸透鏡4進行準直，再經(jīng)高斯振幅濾波片5進行光束強度分布整形，得到準直的部分相干高斯光束。3、準直的部分相干高斯光束到達空間光調(diào)制器6，在空間光調(diào)制器6的液晶顯示屏上進行位相調(diào)制后以反射方式出射?？臻g光調(diào)制器6與輸出位相信息圖用計算機7相連，通過計算機程序?qū)⑽幌嘈畔D加載到空間光調(diào)制器6上，對入射光束進行位相調(diào)制。參見附圖2它為本實施例中在空間光調(diào)制器6上加載的位相信息圖。4、利用圓孔光闌8截取由空間光調(diào)制器6出射的第一級衍射光束，得到部分相干艾里光束。5、光束分析儀9與測量用計算機10相連，觀測和拍攝部分相干艾里光束的光強分布。參見附圖3，它為本實施例中產(chǎn)生的部分相干艾里光束的光強分布圖。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生部分相干艾里光束的方法，其特征在于包括如下步驟(I)由激光器發(fā)出完全相干的高斯光束，經(jīng)部分相干高斯光束調(diào)整器調(diào)整所述完全相干的高斯光束的相干性，得到部分相干高斯光束，所述的部分相干高斯光束調(diào)整器包括凸透鏡和旋轉(zhuǎn)毛玻璃片，通過改變凸透鏡和旋轉(zhuǎn)毛玻璃片之間的距離，調(diào)整高斯光束的相干(2)將到的部分相干高斯光束經(jīng)凸透鏡進行準直后，由高斯振幅濾波片進行光束強度分布整形處理，得到準直的部分相干高斯光束；(3)經(jīng)位相調(diào)制器進行位相調(diào)制后，經(jīng)圓孔光闌截取第一級衍射光束，得到部分相干艾里光束。
2.一種產(chǎn)生部分相干艾里光束的裝置，其特征在于包括激光器、部分相干高斯光束調(diào)整器、空間光調(diào)制器和圓孔光闌，由激光器發(fā)出完全相干的高斯光束，經(jīng)部分相干高斯光束調(diào)整器調(diào)整完全相干的高斯光束的相干性，得到部分相干高斯光束，所述的部分相干高斯光束調(diào)整器包括第一凸透鏡和旋轉(zhuǎn)毛玻璃片，通過改變第一凸透鏡和旋轉(zhuǎn)毛玻璃片之間的距離，調(diào)整高斯光束的相干性；得到的部分相干高斯光束再經(jīng)第二凸透鏡進行準直后， 由高斯振幅濾波片進行光束強度分布整形，得到準直的部分相干高斯光束；再通過加載了位相信息圖的空間光調(diào)制器，在空間光調(diào)制器液晶顯示屏上進行位相調(diào)制后以反射方式出射；經(jīng)圓孔光闌截取第一級衍射光束，得到部分相干艾里光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種產(chǎn)生部分相干艾里光束的裝置，其特征在于所述的激光器為功率可調(diào)的半導(dǎo)體泵浦固體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種產(chǎn)生部分相干艾里光束的裝置，其特征在于所述的位相調(diào)制器為空間光調(diào)制器為加載了位相信息圖的反射式空間光調(diào)制器，入射光束在空間光調(diào)制器液晶顯示屏上進行位相調(diào)制后以反射方式出射；空間光調(diào)制器由計算機將位相信息圖加載到空間光調(diào)制器上，對進行位相調(diào)制。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種產(chǎn)生部分相干艾里光束的裝置，其特征在于它包括部分相干艾里光束的測量裝置，所述的測量裝置為光束分析儀及與其相連接的計算機，用于觀測和拍攝部分相干艾里光束的光強分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光束的傳輸與變換技術(shù)，公開了一種產(chǎn)生部分相干艾里光束的方法。激光器發(fā)出完全相干的高斯光束，由凸透鏡和旋轉(zhuǎn)毛玻璃片調(diào)整其相干性，得到部分相干高斯光束，經(jīng)第二凸透鏡進行準直后，由高斯振幅濾波片進行光束強度分布整形，再通過加載了位相信息圖的空間光調(diào)制器進行位相調(diào)制，經(jīng)圓孔光闌截取第一級衍射光束，得到部分相干艾里光束。本發(fā)明直接利用高斯光束產(chǎn)生部分相干艾里光束，原理科學(xué)，容易實現(xiàn)；裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，穩(wěn)定性好，制造成本低。本發(fā)明提供的光束可實際應(yīng)用于光學(xué)顆粒清除、生物醫(yī)學(xué)治療、微粒捕獲、電子加速等領(lǐng)域。
文檔編號G02B27/09GK103048791SQ201310018920
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者趙承良, 文偉, 董元, 蔡陽健 申請人:蘇州大學(xué)