一种基于热光效应获得空心光束的装置的制作方法

本实用新型属于非线性光学应用领域，具体涉及一种基于热光效应获得空心光束的装置。

背景技术：

空心光束是指在传播方向上中心光强极低或者为零的环状光束。空心光束独特的光强分布使得其在微观粒子的光学囚禁、光学扳手、光学导管和超分辨显微成像等领域有着非常重要的应用价值。目前，能够获得空心光束的方法主要有横模选择法、几何光学法、光学全息法、中空光纤法和位相片法等，然而这些方法涉及到光学系统结构复杂、装置价格昂贵，而且据这些方法所获得的空心光束的中心暗斑尺寸难以控制。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于热光效应获得空心光束的装置，该装置通过设置泵浦激光束和醇类溶液来使探测激光束产生附加相移，进而改变探测激光束的远场横向强度，得到由中心暗斑和同心圆组成的空心光束，通过改变醇类溶液的浓度和泵浦激光束的光强可以实现对所获得空心光束中心暗斑尺寸的控制。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于热光效应获得空心光束的装置，包括泵浦激光束的产生装置和探测激光束的产生装置，其特征在于：还包括聚焦透镜、第一半波片、第一偏振分光棱镜、装有醇类溶液的比色皿、第二半波片、第二偏振分光棱镜和成像装置；所述泵浦激光束依次经过所述聚焦透镜、第一半波片和第一偏振分光棱镜聚焦到所述比色皿；所述探测激光束依次经过第二半波片、第二偏振分光棱镜、比色皿和第一偏振分光棱镜后进入成像装置；聚焦到比色皿的泵浦激光束与经过所述比色皿的探测激光束反向共线；

上述的一种基于热光效应获得空心光束的装置，其特征在于：聚焦到比色皿的泵浦激光束为水平偏振光。

上述的一种基于热光效应获得空心光束的装置，其特征在于：进入比色皿的探测激光束为垂直偏振光。

上述的一种基于热光效应获得空心光束的装置，其特征在于：所述泵浦激光束和探测激光束均为高斯光束。

上述的一种基于热光效应获得空心光束的装置，其特征在于：所述泵浦激光束的波长处于醇类溶液的吸收波长处。

上述的一种基于热光效应获得空心光束的装置，其特征在于：所述泵浦激光束的产生装置为产生泵浦激光束的激光器；所述探测激光束的产生装置为产生探测激光束的激光器。

上述的一种基于热光效应获得空心光束的装置，其特征在于：所述泵浦激光束的产生装置包括依次设置于同一光路上的激光器、第三半波片和第三偏振分光棱镜，透过所述第三偏振分光棱镜的光束为泵浦激光束；

所述探测激光束的产生装置包括位于第三偏振分光棱镜的反射光路上的第一反射镜，和位于第一反射镜的反射光路上的第二反射镜，第二反射镜反射的光束为探测激光束。

上述的一种基于热光效应获得空心光束的装置，其特征在于：所述成像装置包括CCD相机或CMOS相机。

上述的一种基于热光效应获得空心光束的装置，其特征在于：所述醇类溶液包括甲醇溶液、乙醇溶液、丙醇溶液或丁醇溶液。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型基于热光效应，通过设置泵浦激光束和醇类溶液来获得空心光束。醇类溶液吸收泵浦激光束的能量产生温度梯度，产生温度梯度的醇类溶液的折射率发生非线性变化，探测激光束与泵浦激光束反向共线，探测激光束通过该折射率发生非线性变化的醇类溶液后，在醇类溶液的出射端面处产生附加相移，使其远场的光强重新分布，产生由中心暗斑和同心圆组成的空心光束。

2、本实用新型通过改变醇类溶液的浓度和泵浦激光束的光强可以实现对所获得空心光束中心暗斑尺寸的控制。

3、本实用新型的分析装置结构简单，操作方便，设计合理，成本低易于推广。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的实施例1的基于热光效应获得空心光束的装置的结构示意图。

图2为本实用新型的实施例2的基于热光效应获得空心光束的装置的结构示意图。

图3为本实用新型实施例3中泵浦激光束的功率为50mW；乙醇与去离子水的体积比为7:3时所获得的空心光束的光斑图。

图4为本实用新型实施例3中泵浦激光束的功率为100mW；乙醇与去离子水的体积比为7:3时所获得的空心光束的光斑图。

图5为本实用新型实施例3中泵浦激光束的功率为150mW；乙醇与去离子水的体积比为7:3时所获得的空心光束的光斑图。

图6为本实用新型实施例3中泵浦激光束的功率为200mW；乙醇与去离子水的体积比为1:4时所获得的空心光束的光斑图。

图7为本实用新型实施例3中泵浦激光束的功率为200mW；乙醇与去离子水的体积比为3:7时所获得的空心光束的光斑图。

图8为本实用新型实施例3中泵浦激光束的功率为200mW；乙醇与去离子水的体积比为1:1.5时所获得的空心光束的光斑图。

附图标记说明:

1-第一激光器； 2-第二激光器； 3-聚焦透镜；

4-第一半波片； 5-第一偏振分光棱镜； 6-比色皿；

7-第二偏振分光棱镜； 8-第二半波片； 9-成像装置；

10-激光器； 11-第三半波片； 12-第三偏振分光棱镜；

13-第一反射镜； 14-第二反射镜。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的基于热光效应获得空心光束的装置，包括泵浦激光束1的产生装置和探测激光束2的产生装置，其特征在于：还包括聚焦透镜3、第一半波片4、第一偏振分光棱镜5、装有醇类溶液的比色皿6、第二半波片8、第二偏振分光棱镜7和成像装置9；所述泵浦激光束1依次经过所述聚焦透镜3、第一半波片4和第一偏振分光棱镜5聚焦到所述比色皿6；所述探测激光束2依次经过第二半波片8、第二偏振分光棱镜7、比色皿6和第一偏振分光棱镜5后进入成像装置9；聚焦到比色皿6的泵浦激光束1与经过所述比色皿6的探测激光束2反向共线；所述聚焦透镜3的焦距为200mm；所述反向共线为聚焦到比色皿6的泵浦激光束与经过所述比色皿6的探测激光束的传播方向相反且为共线传播。

透过所述第一偏振分光棱镜5后聚焦到比色皿6的泵浦激光束1为水平偏振光。

进入比色皿6的探测激光束2为垂直偏振光；从比色皿6出射的探测激光束入射到第一偏振分光棱镜5，经第一偏振分光棱镜5反射进入成像装置9。

所述泵浦激光束1和探测激光束2均为高斯光束。

所述泵浦激光束1的波长处于醇类溶液的吸收波长处。

所述泵浦激光束1的产生装置为产生泵浦激光束的激光器；所述探测激光束2的产生装置为产生探测激光束的激光器；泵浦激光束1的产生装置包括连续可调谐的环形钛宝石激光器或外腔式半导体激光器；探测激光束2的产生装置包括连续可调谐的环形钛宝石激光器或外腔式半导体激光器；本实施例中，泵浦激光束1的产生装置为连续可调谐的环形钛宝石激光器，也可用外腔式半导体激光器替换；探测激光束2的产生装置为外腔式半导体激光器，也可用连续可调谐的环形钛宝石激光器替换。

所述成像装置9为CCD相机，也可用CMOS相机替代。

所述醇类溶液包括甲醇溶液、乙醇溶液、丙醇溶液或丁醇溶液。

实施例2

如图2，本实用新型的基于热光效应获得空心光束的装置，包括泵浦激光束1的产生装置和探测激光束2的产生装置，其特征在于：还包括聚焦透镜3、第一半波片4、第一偏振分光棱镜5、装有醇类溶液的比色皿6、第二半波片8、第二偏振分光棱镜7和成像装置9；所述泵浦激光束1依次经过所述聚焦透镜3、第一半波片4和第一偏振分光棱镜5聚焦到所述比色皿6；所述探测激光束2依次经过第二半波片8、第二偏振分光棱镜7、比色皿6和第一偏振分光棱镜5后进入成像装置9；聚焦到比色皿6的泵浦激光束1与经过所述比色皿6的探测激光束2反向共线；所述聚焦透镜3的焦距为200mm；所述反向共线为聚焦到比色皿6的泵浦激光束与经过所述比色皿6的探测激光束的传播方向相反且为共线传播。

透过所述第一偏振分光棱镜5后聚焦到比色皿6的泵浦激光束1为水平偏振光。

进入比色皿6的探测激光束2为垂直偏振光；从比色皿6出射的探测激光束入射到第一偏振分光棱镜5，经第一偏振分光棱镜5反射进入成像装置9。

所述泵浦激光束1和探测激光束2均为高斯光束。

所述泵浦激光束1的波长处于醇类溶液的吸收波长处。

所述泵浦激光束(1)的产生装置包括依次设置于同一光路上的激光器(10)、第三半波片(11)和第三偏振分光棱镜(12)，透过所述第三偏振分光棱镜(12)的光束为泵浦激光束(1)；

所述探测激光束(2)的产生装置包括位于第三偏振分光棱镜(12)的反射光路上的第一反射镜(13)，和位于第一反射镜(13)的反射光路上的第二反射镜(14)，第二反射镜(14)反射的光束为探测激光束(2)。

所述第三偏振分光棱镜12位于第三半波片11和聚焦透镜3之间，第二半波片8位于第二反射镜14和第二偏振分光棱镜7之间；透过所述第三偏振分光棱镜12的光束进入到所述聚焦透镜3，经所述第三偏振分光棱镜12反射的激光束入射到所述第一反射镜13，经所述第一反射镜13反射的光束入射到第二反射镜14，经第二反射镜14反射后入射到第二半波片8；

本实施例中，激光器10为连续可调谐的环形钛宝石激光器，也可用外腔式半导体激光器替代。

所述成像装置9为CCD相机，也可用CMOS相机替代。

所述醇类溶液包括甲醇溶液、乙醇溶液、丙醇溶液或丁醇溶液。

实施例3

采用实施例1的装置获得空心光束的方法，具体步骤包括：

步骤一、从连续可调谐的环形钛宝石激光器中获得一束泵浦激光束1，将泵浦激光束1依次通过聚焦透镜3和第一半波片4后入射到第一偏振分光棱镜5，透过所述第一偏振分光棱镜5的泵浦激光束1聚焦于装有醇类溶液的比色皿6中；经所述聚焦透镜3聚焦的泵浦激光束1为腰斑大小为70μm的高斯光束，透过第一偏振分光棱镜5的泵浦激光束1为水平偏振光；本实施例中，醇类溶液为乙醇溶液，乙醇溶液中乙醇与去离子水的体积比为7:3；本步骤也可使用从外腔式半导体激光器中获得的一束泵浦激光束1；

步骤二、从外腔式半导体激光器中获得一束探测激光束2，将探测激光束2经过第二半波片8入射到第二偏振分光棱镜7，经第二偏振分光棱镜7反射后入射到比色皿6，从比色皿6出射后经第一偏振分光棱镜5反射进入成像装置9，调试探测激光束2和泵浦激光束1的光路使入射到所述比色皿6的探测激光束2与步骤一中聚焦到比色皿6的泵浦激光束1的传播方向相反且为共线传播；经第二偏振分光棱镜7反射的探测激光束2为垂直偏振光；本步骤也可使用从连续可调谐的环形钛宝石激光器中获得的一束探测激光束2；

步骤三、调整泵浦激光束1的功率使成像装置9上出现明显的中心暗斑和同心圆环图样；调节第一半波片4的角度使进入比色皿6中的泵浦激光束1的功率为50mW，进入比色皿6的泵浦激光束1的功率通过功率计进行测定；成像装置9上出现明显的中心暗斑和同心圆环图样，所获得的光斑如图3；

步骤四、调整步骤三得到的中心暗斑的尺寸；方法为：调整步骤三进入比色皿6的泵浦激光束1的功率为100mW，所获得的空心光束的光斑如图4所示；

调整步骤三进入比色皿6的泵浦激光束1的功率为150mW，所获得的空心光束的光斑如图5所示；

改变乙醇溶液的浓度，使乙醇溶液中乙醇与去离子水的体积比为1:4，步骤三中进入比色皿6的泵浦激光束1的功率为200mW，所获得的空心光束的光斑如图6所示；

乙醇溶液中乙醇与去离子水的体积比为3:7，步骤三中进入比色皿6的泵浦激光束1的功率为200mW，所获得的空心光束的光斑如图7所示；

乙醇溶液中乙醇与去离子水的体积比为1:1.5，步骤三中进入比色皿6的泵浦激光束1的功率为200mW，所获得的空心光束的光斑如图8所示。

由图3-图5可知，当乙醇溶液中乙醇与去离子水的体积比为7:3时，随着泵浦激光束1功率的增加，所得到的空心光束的中心暗斑尺寸增大。

由图6-图8可知，当泵浦激光束1的功率为200mW时，随着乙醇溶液浓度增大，所得到的空心光束的中心暗斑尺寸的增加。

本实施例中的乙醇替换为甲醇、丙醇或丁醇后，均可以获得空心光束，中心暗斑尺寸变化规律与乙醇溶液对应空心光束中心暗斑尺寸的变化规律一致。

实施例4

采用实施例2的装置获得空心光束的方法，具体步骤包括：

步骤一、将激光器10发出的激光束依次经过第三半波片11和第三偏振分光棱镜12，透过第三偏振分光棱镜12的光束为泵浦激光束1，将泵浦激光束1依次通过聚焦透镜3和第一半波片4后入射到第一偏振分光棱镜5，透过所述第一偏振分光棱镜5的泵浦激光束1聚焦于装有醇类溶液的比色皿6中；经所述聚焦透镜3聚焦的泵浦激光束1为腰斑大小为70μm的高斯光束，透过第一偏振分光棱镜5的泵浦激光束1为水平偏振光；本实施例中，醇类溶液为乙醇溶液，乙醇溶液中乙醇与去离子水的体积比为7:3；激光器10为连续可调谐的环形钛宝石激光器，也可用外腔式半导体激光器替代；

步骤二、经步骤一所述第三偏振分光棱镜12反射的激光束入射到所述第一反射镜13，经第一反射镜13改变方向后入射到第二反射镜14，从第二反射镜14出射的激光束为探测激光束2，将探测激光束2经过第二半波片8入射到第二偏振分光棱镜7，经第二偏振分光棱镜7反射后入射到比色皿6，从比色皿6出射后经第一偏振分光棱镜5反射进入成像装置9，调试探测激光束2和泵浦激光束1的光路使入射到所述比色皿6的探测激光束2与步骤一中聚焦到比色皿6的泵浦激光束1的传播方向相反且为共线传播；经第二偏振分光棱镜7反射的探测激光束2为垂直偏振光；

步骤三、调整泵浦激光束1的功率使成像装置9上出现明显的中心暗斑和同心圆环图样；调节第一半波片4的角度使进入比色皿6中的泵浦激光束1的功率为50mW，进入比色皿6的泵浦激光束1的功率通过功率计进行测定；成像装置9上出现明显的中心暗斑和同心圆环图样；

步骤四、调整步骤三得到的中心暗斑的尺寸。

本实施例中，成像装置9上出现空心光束；当乙醇溶液中乙醇与去离子水的比值确定时，随着泵浦激光束1功率的增加，所得到的空心光束的中心暗斑尺寸增大；当泵浦激光束1的功率确定时，随着乙醇溶液浓度增大，所得到的空心光束的中心暗斑尺寸增加。

本实施例中的乙醇替换为甲醇、丙醇或丁醇后，均可以获得空心光束，中心暗斑尺寸变化规律与乙醇溶液对应空心光束中心暗斑尺寸的变化规律一致。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。