自分裂光束的產(chǎn)生裝置及其產(chǎn)生方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自分裂光束的產(chǎn)生裝置及其產(chǎn)生方法，產(chǎn)生裝置沿光路方向依次包括：光源；空間光調(diào)制器，對激光束進(jìn)行相位調(diào)制后以透射的方式輸出具有特定光強(qiáng)分布的光束；旋轉(zhuǎn)的散射體，激光束經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的散射體后產(chǎn)生具有特定光強(qiáng)分布的非相干光；薄透鏡，獲得相干結(jié)構(gòu)函數(shù)形式為非相干光光強(qiáng)傅里葉變換函數(shù)的部分相干光束；高斯濾波片，將部分相干光束的光強(qiáng)分布調(diào)制成高斯光強(qiáng)分布，產(chǎn)生具有特殊空間關(guān)聯(lián)函數(shù)的部分相干光束，即自分裂光束。本發(fā)明利用光場空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)產(chǎn)生自分裂光束，通過本發(fā)明可以簡單方便在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生自分裂光束，為自分裂光束在原子操控等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
【專利說明】自分裂光束的產(chǎn)生裝置及其產(chǎn)生方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種自分裂光束的產(chǎn)生裝置及其產(chǎn)生方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 自第一臺激光器發(fā)明以來，光場的相干理論得到了人們的廣泛研究，其中光束的 相干性是光場相干理論最重要的研究內(nèi)容，光束的相干性包括兩方面，即時間相干性和空 間相干性。前者與光束的單色性密切相關(guān)，后者與光束的方向性密切相關(guān)。光束的空間相 干性賦予了光束的一個新的自由度，為光場的譜密度分布、偏振結(jié)構(gòu)、相干結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供 了新的思路。部分相干光的空間相干結(jié)構(gòu)可以通過光束的關(guān)聯(lián)函數(shù)來表征。在過去的幾十 年里，研究人員從理論和實(shí)驗(yàn)上研究的最為廣泛和深入的部分相干光是關(guān)聯(lián)函數(shù)為高斯分 布的光束，即：高斯謝爾模光束，研究發(fā)現(xiàn)，該光束在自由空間光通信、粒子俘獲、原子冷卻、 光學(xué)成像、二次諧波產(chǎn)生、以及光學(xué)散射等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。最近，一種具有特殊 空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的部分相干光束引起了研究人員的廣泛關(guān)注。2007年，意大利的Gori以及 Santarsiero給出了構(gòu)建標(biāo)量部分相干光束的空間關(guān)聯(lián)函數(shù)的充分條件。2009年，他們又 提出了構(gòu)建隨機(jī)電磁光束的空間關(guān)聯(lián)函數(shù)的充分條件?；谒麄冮_拓性的工作，一系列具 有特殊空間關(guān)聯(lián)函數(shù)結(jié)構(gòu)的部分相干光束的模型被提出來了，比如，2011年Lajunen等人 提出了非均勻關(guān)聯(lián)光束的模型；2012年Sahin等人提出了多高斯關(guān)聯(lián)光束的模型；2013年 梅掌榮等人提出了拉蓋爾高斯關(guān)聯(lián)光束以及貝塞爾高斯關(guān)聯(lián)光束的模型；之后梅掌榮又提 出了 Cosine-高斯關(guān)聯(lián)光束的模型；2014年陳亞紅等人提出了特殊偏振關(guān)聯(lián)光束的模型 等。研究表明，這類具有特殊空間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的部分相干光束在傳輸過程中展現(xiàn)出奇特的現(xiàn) 象，比如，在遠(yuǎn)場處或焦平面上產(chǎn)生平頂分布，空心分布，或者陣列分布等特殊分布的光強(qiáng)； 光強(qiáng)自聚焦現(xiàn)象；光強(qiáng)峰值漂移；焦點(diǎn)附近產(chǎn)生三維光學(xué)籠子等等。由于這些奇特的傳輸 特性，具有特殊空間關(guān)聯(lián)函數(shù)結(jié)構(gòu)的部分相干光束將應(yīng)用到自由空間光通信以及光學(xué)粒子 俘獲等領(lǐng)域?；谝陨系难芯炕A(chǔ)，我們發(fā)現(xiàn)通過構(gòu)建特定的光場空間關(guān)聯(lián)函數(shù)，可以改變 光束的傳輸特性，這為產(chǎn)生特定光場結(jié)構(gòu)提供了新的思路。
[0003] 在另一方面，光束的自分裂特性得到人們的持續(xù)關(guān)注。光束的自分裂特性能夠激 勵出很多新奇的現(xiàn)象，在許多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，比如，原子操控；粒子俘獲；高能 超輻射發(fā)光二極管設(shè)計領(lǐng)域等。到目前為止，有一系列關(guān)于光束自分裂的理論和實(shí)驗(yàn)被 報道了，1996年Tikhonenko等人提出在飽和非線性介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)光束自分裂現(xiàn)象，1997年 Torres等人就提出了通過二維波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光束的自分裂，1998年Snryanto等人提出了在非 Kerr媒介中實(shí)現(xiàn)光束自分裂現(xiàn)象。然而，以上實(shí)現(xiàn)光束自分裂現(xiàn)象的方法都是借助于特殊 媒介或者分束器來實(shí)現(xiàn)的，并不是對光場的直接調(diào)控。
[0004] 因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種直接對光場進(jìn)行調(diào)控自分裂光束的產(chǎn) 生裝置及其產(chǎn)生方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明針對上述問題，提出了一種直接對光場進(jìn)行調(diào)控自分裂光束的 產(chǎn)生裝置及其產(chǎn)生方法。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下：
[0007] -種自分裂光束的產(chǎn)生裝置，所述產(chǎn)生裝置沿光路方向依次包括：
[0008] 光源，產(chǎn)生一定波長的激光束；
[0009] 空間光調(diào)制器，對激光束進(jìn)行相位調(diào)制后以透射的方式輸出具有特定光強(qiáng)分布的 光束；
[0010] 旋轉(zhuǎn)的散射體，旋轉(zhuǎn)的散射體表面包括若干微小顆粒，顆粒大小分布遵從高斯統(tǒng) 計分布，激光束經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的散射體后產(chǎn)生具有特定光強(qiáng)分布的非相干光；
[0011] 薄透鏡，薄透鏡起到傅里葉變換的作用，獲得相干結(jié)構(gòu)函數(shù)形式為非相干光光強(qiáng) 傅里葉變換函數(shù)的部分相干光束；
[0012] 高斯濾波片，高斯濾波片緊貼著薄透鏡設(shè)置，用于將部分相干光束的光強(qiáng)分布調(diào) 制成高斯光強(qiáng)分布，產(chǎn)生具有特殊空間關(guān)聯(lián)函數(shù)的部分相干光束，即自分裂光束。
[0013] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述空間光調(diào)制器與個人電腦相連，所述個人電腦用 于生成計算全息光柵圖并加載到空間光調(diào)制器上，以產(chǎn)生具有特定光強(qiáng)分布的光束。
[0014] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述空間光調(diào)制器輸出光束的光強(qiáng)分布為：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種自分裂光束的產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述產(chǎn)生裝置沿光路方向依次包括： 光源，產(chǎn)生一定波長的激光束； 空間光調(diào)制器，對激光束進(jìn)行相位調(diào)制后以透射的方式輸出具有特定光強(qiáng)分布的光 束； 旋轉(zhuǎn)的散射體，旋轉(zhuǎn)的散射體表面包括若干微小顆粒，顆粒大小分布遵從高斯統(tǒng)計分 布，激光束經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的散射體后產(chǎn)生具有特定光強(qiáng)分布的非相干光； 薄透鏡，薄透鏡起到傅里葉變換的作用，獲得相干結(jié)構(gòu)函數(shù)形式為非相干光光強(qiáng)傅里 葉變換函數(shù)的部分相干光束； 高斯濾波片，高斯濾波片緊貼著薄透鏡設(shè)置，用于將部分相干光束的光強(qiáng)分布調(diào)制成 高斯光強(qiáng)分布，產(chǎn)生具有特殊空間關(guān)聯(lián)函數(shù)的部分相干光束，即自分裂光束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述空間光調(diào)制器與個人電腦相連， 所述個人電腦用于生成計算全息光柵圖并加載到空間光調(diào)制器上，以產(chǎn)生具有特定光強(qiáng)分 布的光束。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述空間光調(diào)制器輸出光束的光強(qiáng) 分布為：
其中v = (vx, vy)是空間光調(diào)制器輸出面上的坐標(biāo)矢量；exp[ ·]表示e指數(shù)函數(shù)；m, η為自然數(shù)，代表光束的階數(shù)；和表示沿著X方向和y方向的光束寬度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述光源到高斯濾波片的光路傳遞 函數(shù)為：
其中，v = (vx, vy)和r = (X，y)分別代表入射面以及出射面上的坐標(biāo)矢量；
為高斯濾波片振幅函數(shù)，為光斑有效寬度，f為薄透鏡的焦距，薄 透鏡和旋轉(zhuǎn)的散射體之間的距離也為f。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述自分裂光束的互強(qiáng)度函數(shù)為：
其中心是與光強(qiáng)有關(guān)的常數(shù)，Γι = (Xl，yi)和r2 = (x2, y2)是部分相干光源處兩任意 位置矢量，Y (r2-ri)為光束的關(guān)聯(lián)函數(shù)，表示為：
δ (IX = λ f/ 31 ω(|χ，δ (ly = λ f/ 31 ?(ly表示光束沿著X和y方向的相干長度；Ηα為階數(shù) 為α的厄米多項(xiàng)式。
6. -種如權(quán)利要求1所述的自分裂光束的產(chǎn)生方法，其特征在于，所述產(chǎn)生方法包括： 51、 光源獲得一定波長的激光束； 52、 激光束照射在空間光調(diào)制器上，經(jīng)過相位調(diào)制后以透射的方式輸出具有特定光強(qiáng) 分布的光束； 53、 經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制后的光束照射在旋轉(zhuǎn)的散射體上，產(chǎn)生具有特定光強(qiáng)分布的 非相干光； 54、 將非相干光照射到薄透鏡上，薄透鏡起到傅里葉變換的作用，獲得相干結(jié)構(gòu)函數(shù)形 式為非相干光光強(qiáng)傅里葉變換函數(shù)的部分相干光束； 55、 將經(jīng)過薄透鏡的部分相干光束通過高斯濾波片，高斯濾波片緊貼著薄透鏡設(shè)置，高 斯濾波片將部分相干光束的光強(qiáng)分布調(diào)制成高斯光強(qiáng)分布，產(chǎn)生具有特殊空間關(guān)聯(lián)函數(shù)的 部分相干光束，即自分裂光束。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的產(chǎn)生方法，其特征在于，所述空間光調(diào)制器輸出光束的光強(qiáng) 分布為：
其中ν = (vx, vy)是空間光調(diào)制器輸出面上的坐標(biāo)矢量；exp[ ·]表示e指數(shù)函數(shù)；m, η為自然數(shù)，代表光束的階數(shù)；和表示沿著X方向和y方向的光束寬度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的產(chǎn)生方法，其特征在于，所述光源到高斯濾波片的光路傳遞 函數(shù)為：
其中，v = (vx, vy)和r = (X，y)分別代表入射面以及出射面上的坐標(biāo)矢量；
為高斯濾波片振幅函數(shù)，σ ^為光斑有效寬度，f為薄透鏡的焦距，薄 透鏡和旋轉(zhuǎn)的散射體之間的距離也為f。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的產(chǎn)生方法，其特征在于，所述自分裂光束的互強(qiáng)度函數(shù)為：
其中心是與光強(qiáng)有關(guān)的常數(shù)，Γι = (Xl，yi)和r2 = (x2, y2)是部分相干光源處兩任意 位置矢量，Y (r2-ri)為光束的關(guān)聯(lián)函數(shù)，表示為：
δ (IX = λ f/ 31 ω(|χ，δ (ly = λ f/ 31 ?(ly表示光束沿著X和y方向的相干長度；Ηα為階數(shù) 為α的厄米多項(xiàng)式。
【文檔編號】G02B27/09GK104122666SQ201410399805
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】陳亞紅, 王飛, 蔡陽健 申請人:蘇州大學(xué)