任意波长半高斯激光束发生器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光技术领域，涉及激光光束整形技术，具体为任意波长半高斯激光 束发生器，适用于激光物理、原子分子光学、生物物理、量子信息、光学测量与探测等需要非 对称激光光束的领域。
【背景技术】
[0002] 半高斯激光束是一种特殊的非对称激光束，它的横向空间光强分布在一个方向为 半个高斯线型，在另外一个正交方向为高斯线型。自I960年激光问世以来，相关技术不断 更新，激光被广泛的应用于人类的生产生活活动之中。常规基模输出的激光器以及相关技 术和理论研宄飞速发展，激光应用领域得到充分拓展，日趋完善。随着基础研宄、工业生产 的迅猛发展，人们对特殊强度分布的激光场的需求越来越多，其中包括对称分布的空心光 束，平顶光束，贝塞尔光束，非对称分布的艾里光束，半高斯光束等。因为半高斯激光束在应 用光学以及基础物理研宄领域有广泛的应用。例如，利用半高斯激光束在非线性克尔介质 中的自弯曲现象，可以用来探测介质的非线性折射率，也可以将其构建光电传感器，也可以 将其用于冷原子分子气体密度的测量。利用半高斯激光束可以实现原子分子、介质粒子、生 物分子、电子束等的光学微操控，其中包括原子分子反射镜、原子分子束能量低通滤波器、 介质粒子以及生物分子囚禁、电子束加速器或者减速器等器件的构件。通常产生半高斯激 光束的方法有两种，一种是在高斯激光束的中心垂直插入不透明片（刀片））的方法截去高 斯激光束的一半，得到带有衍射条纹的半高斯激光束。根据光学知识知道，由于激光的相干 性，这种方法得到的半高斯激光束具有很多振荡的衍射条纹，并不是真正的半高斯激光束。 另一种方法是在2011年发明的采用侧向调制的周期性极化的LiTaO3晶体进行频率变换 以及光束整形，得到532nm半高斯激光束（见专利《532nm半高斯激光束发生器》，专利号： 201110005840. 3)。该发明的核心部分是侧向调制的周期性极化晶体，该晶体的结构参数与 入射光源的波长相关，也就是说若要更换产生的半高斯激光束的波长，晶体也要相应重新 加工。另外该技术产生的半高斯激光束在自由空间传输时会发生衍化。因此促使不断技术 革新，开发出一种便捷、固化、适用范围广、能产生在自由空间可以稳定传输的半高斯激光 束的技术，并将该半高斯激光束发生器技术进行商品化。
【发明内容】
[0003] 本发明目的在于提供一种能产生任意波长的半高斯激光束的发生器，解决上述提 出的传统方法产生的半高斯激光束具有衍射条纹的缺点，以及侧向调制的光学超晶格产生 无衍射条纹的半高斯激光束的波长选择性以及传输稳定性问题。该任意波长的半高斯激光 束发生器设计简单便捷、易于实施、适用波长范围广，产生的半高斯激光束在自由空间传输 保持稳定，因此可以广泛用于激光物理、原子分子光学、生物物理、量子信息、光学测量与探 测等领域。
[0004] 本发明采用如下技术方案达到上述目的：
[0005] -种任意波长半高斯激光束发生器，它包括入射激光光源、准直系统、相干度衰减 器及不透明片（刀片），相干度衰减器由马达带动旋转的压在两块圆形有机玻璃中间的同 尺寸形状的薄膜组成，任意波长的入射激光光源发出的高斯激光入射到准直系统、经准直 之后的高斯激光经相干度衰减器之后转变为部分相干光，不透明片（刀片）边缘通过准直 的入射的高斯激光束的中心；在不透明片（刀片）后面空间一段范围内得到与入射激光光 源波长一致的无衍射条纹的纯净半高斯激光束。
[0006] 所述入射激光光源出射的激光模式是TEM(I(I模，光强分布为高斯型，波长根据所需 任意选择。
[0007] 所述准直系统将入射激光束准直为平行光束，且可设置为不同的放大倍率，将入 射光束扩束或者缩束到应用所需要的光束束腰大小。准直系统是由两个常规圆透镜组成， 圆透镜的焦距可以根据应用需求选择和搭配，从而实现入射高斯激光束的不同倍率的扩束 或者缩束，得到不同空间尺寸的高斯激光束，同时也拓宽了所产生的半高斯激光束的空间 尺度范围。
[0008] 所述入射激光光源波长为任意的，工作模式是连续的或脉冲的，偏振态是任意的 线偏振、圆偏振或者椭圆偏振，输出光亦为相应任意波长的、连续的或脉冲的，与入射激光 同偏振的半高斯激光束。
[0009] 所述相干度衰减器由以下三部分构成：两片圆形有机玻璃、一片圆形薄膜、马达。 薄膜夹在两片有机玻璃中间，整体固定在马达转轴上，并由马达带动整体旋转，构造简单， 造价便宜。由于薄膜平面内的薄膜厚度存在激光波长量级的随机起伏，当激光光束通过薄 膜时，光束横向场的不同位置光程不同，因此光场的相位得到调制。根据统计光学可知，当 薄膜旋转之后，光束也由相干光转变为部分相干光。相干度衰减器适用于任意波长、任意工 作模式的入射激光光源，在更换入射激光光源时不需要更换相干度衰减器，该光束整形技 术适用范围广。
[0010] 所述产生的半高斯激光束在自由空间传输时无衍射，继续保持半高斯形状的强度 分布，也就是空间传输具有稳定性，具有更高的应用价值。
[0011] 本发明的有益效果是：利用相干度衰减器改变激光光束性质，降低其相干度，实现 一种任意波长的新型的全固态的半高斯激光束发生器的研制。该相干度衰减器结构简单， 部件便于加工，造价低。另外产生的半高斯激光束在自由空间传输特性稳定，利用价值高。 本发明没有复杂庞大的系统，原理及装置简单、成本较低、可扩展性强、光束传输稳定，是一 种新型的全固态的激光器系统。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明结构示意图；
[0013] 图2中（a)本发明的显微镜拍摄的相干度衰减器薄膜图；(b)相干度衰减器实物 图；
[0014] 图3中（a)本发明实施例的不透明片（刀片）后端2cm处632. 8nm入射高斯激光 束的三维强度分布图；(b) -维强度分布曲线图；
[0015] 图4中（a)本发明实施例获得的不透明片（刀片）后端2cm处的632. 8nm半高斯 激光束的三维强度分布曲线图；(b) -维强度分布曲线图；（c) IOcm处的632. 8nm半高斯激 光束的三维强度分布曲线图；（d) -维强度分布曲线图。
【具体实施方式】
[0016] 结合技术方案和说明书附图，详述本发明的【具体实施方式】。
[0017] 以波长为632. 8nm的氦氖激光作为入射激光光源为例：
[0018] (1)本发明实施的相干度衰减器设计如下：
[0019] 拟用光学原理的知识以及波动光学的处理办法，理论上分析本发明产生半高斯激 光光束的基本原理。定义相干度衰减器和不透明片（刀片）所在平面的坐标为（Χ〇，、〇)， 刀片之后距离Z处空间的平面的坐标为（X，y，ζ)。入射到相干度衰减器平面的准直高斯光 束的光场复振幅Uci (Xci, Ytl, 0)为：
[0020]
⑴
[0021] 其中^为准直激光光束的束腰半径，
·是与激光功率和光束束腰半径有 关的复振幅
[0022] 系数，P为激光的功率。插入准直高斯光束中心的不透明片（刀片）的透过率函 数t (Xtl, Ytl, 0)为阶梯函数：
[0023]
⑵
[0024] 借助相干度衰减器给激光场引入一个随机相位Φ (?,、0, t)，让本来步调一致的 激光变得没有规律。相干度衰减器与不透明片（刀片）合起来的透