一种利用光强比测量Airy光束衰减因子的装置和方法与流程

本发明涉及光学测试技术领域，具体的说是一种利用Airy光束光强分布规律直接测量其衰减因子的装置和方法。

背景技术：

M.V.Berry和N.L.Balazs在量子力学领域内理论性地提出了Airy波包的概念（参见论文《Nonspreading wave packets》，Am. J. Phys. Vol. 47, 264–267）。Airy波包是一种无衍射的波包，并且可以在空间中沿着一条曲线传播，这种特殊的传播特征使这种波包具有广泛的应用前景。但是由于这种无衍射波包携带有无穷大的能量，所以在当时无法在实验上实现。2007年，G. A. Siviloglou和D. N. Christodoulides等人将这种无衍射波引入光学领域（参见论文《Observation of Accelerating Airy Beams》，Phys. Rev. Lett. Vol. 99,213901和《Accelerating finite energy Airy beams》，Optics Letters, Vol. 32, 979），他们利用光学“截趾”，将光束能量约束为有限能量，并且在实验上实现了Airy光束的产生。由于Airy光束具有无衍射特性，并且在空间中传播时具有横向自由加速和自愈的特点，因此对于Airy光束的研究逐渐成为研究热点，并且对于Airy光束的研究也逐渐应用到其它领域，比如光镊和微粒操控，表面等离子体激元，真空电子加速等。

目前实验产生的Airy光束均为有限能量的无衍射光束，理论上是通过一个指数衰减项 来实现对光束能量“截趾”，其中是衰减因子。衰减因子的大小直接影响了Airy光束的无衍射传播，以及光强分布。衰减因子是表征Airy光束的一个十分重要的参数，因此对衰减因子的精确测量就显得至关重要。

目前，对Airy光束衰减因子的精确测量并没有有效的方法，因此如何实现对Airy光束衰减因子的精确测量是光学测试技术领域面临的一个亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：提供一种能够利用光强比直接测量Airy光束衰减因子的装置和方法，以提高对于Airy光束性质和应用的把握。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种利用光强比测量Airy光束衰减因子的装置，该测量装置包括激光器、透射式空间光调制器、傅里叶透镜、CCD相机和计算机，所述的透射式空间光调制器和傅里叶透镜均设置在激光器所发出光束的直线光路上，且透射式空间光调制器到傅里叶透镜的距离为傅里叶透镜的焦距，使激光器所发出的光束在依次通过透射式空间光调制器和傅里叶透镜后能够在傅里叶透镜的焦平面位置生成Airy光束，所述的CCD相机设置在傅里叶透镜的焦平面位置，用于记录Airy光束的光强分布，且该CCD相机和透射式空间光调制器均与计算机连接。

所述的透射式空间光调制器上加载有计算全息片。

一种能够利用光强比直接测量Airy光束衰减因子的方法，包括调解出Airy光束的步骤；对Airy光束的光强分布图进行采集的步骤；利用计算机软件Matlab对光强分布图进行分析、记录的步骤；以及利用所记录的坐标信息和光强信息进行Airy光束的衰减因子计算的步骤；

所述调解Airy光束的步骤由激光器将其发出的光束依次通过透射式空间光调制器和傅里叶透镜后产生，且透射式空间光调制器到傅里叶透镜的距离为傅里叶透镜的焦距；

所述对Airy光束的光强分布图进行采集的步骤由设置在傅里叶透镜焦平面位置的CCD相机对Airy光束的光强分布进行影像记录后，传输给计算机得到；

所述利用计算机软件Matlab对光强分布图进行分析、记录的步骤包括利用计算机软件Matlab对光强分布图中主光斑位置、次级光斑位置和第三级光斑位置的光强值以及位置坐标进行记录的操作；

所述Airy光束的衰减因子计算的步骤由以下公式计算得到：

其中，为Airy光束在x方向上主光斑位置的光强值，为Airy光束在x方向上主光斑位置的位置坐标，为Airy光束在x方向上次级光斑位置的光强值，为Airy光束在x方向上次级光斑位置的位置坐标，为Airy光束在x方向上第三级光斑位置的光强值，为Airy光束在x方向上第三级光斑位置的位置坐标，为Airy光束的横向尺度因子，为Airy光束的衰减因子。

本发明的测量方法的原理是：

在光学领域，傍轴近似下的波动方程为

.....................................(1)

其中， k为光场波失。根据傍轴方程（1），有限能量Airy光束的光场表达式为，

...(2)

其中，为Airy函数，为无量纲的横向坐标，为光束的横向尺度因子，表示归一化的传播距离，为Airy光束的衰减因子。为是虚部因子，在处，光场可以表示为

.....................................(3)

可以将光场写成

....................................................(4)

其中，，表示Airy光束在x和y方向上的光场。由此可以得到在x方向上Airy光束的光强分布，和在y方向上Airy光束的光强分布。Airy光束在x方向上主光斑光强最大值，位置为，次级光斑光强最大值，位置为，第三级光斑光强最大值，位置为，光强比可以表示为

.......(5)

利用公式(5)可以知道，只需要确定出Airy光束在位置的不同光斑的最大光强之比，并且确定出光强最大的位置坐标，就可以确定出Airy光束的衰减因子以及光束的横向尺度因子。

本发明的有益效果：

本发明的测量装置所用组件普遍、基础，操作简单、方便，使光路具有简洁、快速、准确的特点。通过检测相应光强分布点的坐标，以及分析光强比值与Airy光束的衰减因子之间存在直接对应关系来实现对Airy光束衰减因子和横向尺度因子的可靠测量。测量方法的实现过程中数据处理程序简单，结果真实可靠，对于光镊、微粒操控、表面等离子体激元、真空电子加速等Airy光束的应用领域都具有重要意义，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中Airy光束在位置的光强分布图；

附图标记：1、激光器，2、透射式空间光调制器，3、傅里叶透镜，4、CCD相机，5、计算机。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

如图所示，本发明是利用Airy光束的光强分布特点来实现对衰减因子的精确测量的。具体就是将激光器1产生的激光束照射在已经加载计算全息片的透射式空间光调制器2上，而后光束经过一个傅里叶透镜3，并在傅里叶透镜3的焦平面位置生成Airy光束，透射式空间光调制器2与傅里叶透镜3之间的距离为傅里叶透镜3的焦距。在傅里叶透镜3的焦平面位置放置CCD相机4，用CCD相机4对Airy光束的光强分布进行记录，记录的光强数据信息都由计算机4控制处理。通过分析Airy光束的光强信息来测量Airy光束的衰减因子。同时，也可以测量出Airy光束的横向尺度因子。

本发明所涉及的Airy光束衰减因子的测量方法，具体测量步骤如下：

（1）在光路上依次设置好透射式空间光调制器、傅里叶透镜、CCD相机，将由计算机生成的计算全息图写入透射式空间光调制器；

（2）打开激光器，激光束照射写入计算全息图的透射式空间光调制器上，经过傅里叶透镜后，在焦平面位置产生待测Airy光束；

（3）在傅里叶凸透镜的焦平面位置放置CCD相机，记录Airy光束的光强分布图并存储进计算机；

（4）利用计算机软件Matlab分析Airy光束的光强分布图，找出主光斑光强最大的位置以及次级光斑光强最大的位置，并利用Matlab软件确定光强最大的位置坐标，并且记录各个不同位置光强比值；

（5）对所记录的坐标信息和光强比值进行分析即可得到Airy光束的衰减因子；

如图2所示，它是Airy光束在位置的光强与横向坐标关系图。是横向x方向主斑光强最大的位置，是横向x方向次级斑光强最大的位置，横向x方向第三级斑光强最大的位置。

本发明对Airy光束衰减因子的测量方法，其主要步骤如下：

（1）在激光器1发出光束前进的方向上放置透射式空间光调制器2，傅里叶透镜3和CCD相机4；

（2）利用计算机全息术生成Airy光束的相位全息图，写入透射式空间光调制器1；

（3）光束照射在透射式空间光调制器2上，在傅里叶透镜3的后焦平面位置利用CCD相机4记录Airy光束的光强信息，并保存图片到计算机5；

（4）利用Matlab软件分析Airy光束的光强分布图，并将图片转化为灰度图。利用Matlab软件分析确定主斑光强最大的位置、次级斑光强最大的位置，以及第三级光斑光强最大的位置；

（5）利用公式（5）提供的光强比与衰减因子和横向尺度因子之间的关系，可以得到Airy光束衰减因子和横向尺度因子的数值；

经实验表明：本发明装置及方法可以利用对Airy光束光强的分析，实现衰减因子和横向尺度因子的测量；并且具有光路简洁、快速、准确的特点。