一种产生暗和反暗无衍射光束的装置的制作方法

本实用新型涉及光信息技术领域，具体涉及一种产生暗和反暗无衍射光束的装置。

背景技术：

孤子又称为孤立波，它是一种特殊形式的超短脉冲，其在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变。从数学意义上来说，它是某些非线性偏微分方程的一类稳定、能量有限的不弥散解。也就是，孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变，像粒子一样。由于这样独特的性质，它在很多领域都得到了广泛的应用。更进一步地将其引用于光纤传输中，由于折射率的非线性变化与群色散效应，光脉冲会形成一种孤子，这一理论我们称之为光孤子理论。整个孤子光学领域都致力于研究光学非线性响应与色散或衍射效应之间的平衡性。目前为止，已经发现了两种完全不同的光孤子：亮孤子和暗孤子。亮孤子的光强随着距离中心的增大而减小，而暗孤子的中心有一个暗点，随着离中心距离的距离增大，光强逐渐增大，并且最终趋于一个稳定的值。另外有一个我们称之为反暗孤子，它是暗孤子的一个镜像，也就是中心是亮斑，随距离中心的距离增大而减小，最终趋于某一稳定值。亮孤子和暗孤子或者反暗孤子最大的区别在于，前者在空间内能量是有限的，而后者是无限的。我们知道，任何非扩散线性波包都必须满足能量无限的条件，而那么我们需要找到一种无衍射光束，这样的光束有着和暗或反暗孤子相似的性质。有学者提出，存在这样的一种光束，当其相干性并不是那么完美的情况下，也就是我们所认为的部分相干的情况下，有一种类贝塞尔无衍射光束，它与暗或反暗孤子有着相类似的特征。

对于贝塞尔光束，由于其特殊的无衍射及自愈合特性，在粒子捕获，原子导引，电子显微镜等领域具有广泛的应用。其不管是在理论上还是实验上都得以广泛研究。但事实上，实验中由于能量有限性，我们并没有办法得到理想的贝塞尔光束。也就是严格意义上来说，实验中我们所得到的贝塞尔光束就是所谓的贝塞尔高斯光束，或者还有称之为类贝塞尔光束。这些光束实际上都是完全相干高斯光束的叠加。

在某些应用领域中，完全相干光并不是理想的。比如，在大气湍流中传输时，部分相干光所受的光束质量或成像的影响相对于完全相干光来说较小。因此，本实用新型中的光束是部分相干光。2018.Anseey也提出了一种以贝塞尔为基本结构的部分相干无衍射光。但是它是基于某一阶数的贝塞尔光束，在不同位置参数下的非相干叠加，所以其得到的部分相干无衍射光束并不理想。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单，能产生暗和反暗无衍射光束的装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种产生暗和反暗无衍射光束的方法，其中，包括以下步骤：

获取动态连续变化的不同阶数的贝塞尔光束，

其中，所述贝塞尔光束为ψm(ρ)＝Jm(βρ)e^imφ，表示所述无衍射光束的本征模，m为整数，表示所述贝塞尔光束的阶数，Jm表示m阶所述贝塞尔光束的振幅，β表示所述贝塞尔光束的横向波矢分量，ρ表示所述贝塞尔光束的光斑矢量；所述无衍射光束的本征值为λm＝1+(-1)^mα，其中，|α|≤1，用于确定所述贝塞尔光束的权重；

将得到的所述不同阶数的贝塞尔光束进行叠加，

其中，奇数阶贝塞尔光束权重大于偶数阶贝塞尔光束权重时，产生暗无衍射光束；奇数阶贝塞尔光束权重小于偶数阶贝塞尔光束权重时，产生反暗无衍射光束。

进一步地，获取所述动态连续变化的不同阶数的贝塞尔光束的具体步骤为：

发出光束；

对所述光束进行扩束；

令扩束后的光束透过动态全息图，产生所述动态连续变化的不同阶数的贝塞尔光束；

其中，所述动态全息图包括多张连续显示且具有不同阶数贝塞尔光束信息的全息图。

进一步地，所述动态全息图通过编程加载在空间光调制器中。

进一步地，所述动态全息图通过编程在所述空间光调制器中以视频形式播放。

本实用新型还提供了一种产生暗和反暗无衍射光束的装置，依次设置有：

光源；以及，

扩束镜，用于对所述光源发出的光束进行扩束；以及，

空间光调制器，用于加载动态全息图以对扩束后的光束进行调制产生动态连续变化的不同阶数的贝塞尔光束；以及，

电荷耦合元件，用于记录所述不同阶数的贝塞尔光束的光斑图案。

进一步地，所述动态全息图通过编程加载在所述空间光调制器中，并以视频形式播放。

进一步地，还包括计算处理系统，所述计算处理系统与所述空间光调制器电连接，用于控制所述动态全息图的加载；所述计算处理系统还与所述电荷耦合元件电连接，用于对记录的所述不同阶数的贝塞尔光束的光斑光强进行叠加。

进一步地，所述光源为氦-氖激光器。

本实用新型的有益效果：

本实用新型通过对动态连续变化的不同阶数的贝塞尔光束进行叠加，产生了一种以贝塞尔光束作为本征模的部分相干无衍射光束，该光束的特征与暗和反暗孤子类似，故将其称之为暗和反暗无衍射光束，该类光束为研究光学非线性响应与色散或衍射效应之间的平衡性提供了一定的指导意义，同时在粒子捕获方面也具有重要的指导意义。

进一步地，本实用新型的产生暗与反暗无衍射光束的装置，结构简单，能够产生稳定的暗和反暗光束，为研究光学非线性响应以及粒子捕获奠定了基础。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例产生暗和反暗无衍射光束装置的结构示意图；

图2是本实用新型优选实施例的动态全息图的示意图；

图3是本实用新型优选实施例在传输距离z＝1.8m处产生的暗无衍射光束的光斑图案；

图4是图3所述的光斑图案在x方向上的理论和实验光强变化曲线；

图5是本实用新型优选实施例在传输距离z＝1.8m处产生的反暗无衍射光束的光斑图案；

图6是图5所述的光斑图案在x方向上的理论和实验光强变化曲线；

图7是本实用新型优选实施例在传输距离z＝1.4m处产生的暗无衍射光束的光斑图案；

图8是本实用新型优选实施例在传输距离z＝1.6m处产生的暗无衍射光束的光斑图案；

图9是本实用新型优选实施例在传输距离z＝2.0m处产生的暗无衍射光束的光斑图案。

图中标号说明：1、氦-氖激光器，2、扩束镜，3、空间光调制器，4、电荷耦合元件，5、计算处理系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

说明

在该装置产生暗和反暗无衍射光束的实验中，定义该类光束的光斑所在截面为x-y面，光束的传输方向为z方向。

另无衍射光束的本征值即表示其本征模贝塞尔光束对应的权重。

实施例

本实用新型提供了一种产生暗和反暗无衍射光束的方法，包括以下步骤：

发出光束；

对所述光束进行扩束；

将编程有不同阶数的贝塞尔光束信息的全息图加载在空间光调制器中，并以视频形式循环播放。

令扩束后的光束透过该动态全息图，产生动态连续变化的不同阶数的贝塞尔光束；

其中，由于部分相干光可以看作是相干模式光束的非相干叠加，因此类比部分相干光的相干模式分解，我们可以得到本实用新型的无衍射光束的本征模为贝塞尔光束ψm(ρ)＝Jm(βρ)e^imφ，本征值为λm＝1+(-1)^mα，其中，m为整数，表示贝塞尔光束的阶数，Jm表示m阶贝塞尔光束，β表示贝塞尔光束的横向波矢分量，ρ表示贝塞尔光束的光斑矢量，|α|≤1，用于确定对应阶数贝塞尔光束的权重，每一张全息图的播放时间由不同阶数的贝塞尔光束对应的权重决定；

将得到的所述不同阶数的贝塞尔光束进行叠加，

其中，奇数阶贝塞尔光束权重大于偶数阶贝塞尔光束权重时，产生暗无衍射光束；奇数阶贝塞尔光束权重小于偶数阶贝塞尔光束权重时，产生反暗无衍射光束。

如图1～2所示，本实用新型还提供了一种产生暗和反暗无衍射光束的装置，依次设置有：

氦-氖激光器1，发射的激光波长为632.8nm；以及，

扩束镜2，用于对该激光进行扩束，扩束后的激光光斑大小能够覆盖后续的全息图大小；以及，

空间光调制器3，用于加载动态全息图以对扩束后的激光进行调制产生动态连续变化的不同阶数的贝塞尔光束；以及，

电荷耦合元件4，用于记录不同阶数的贝塞尔光束的光斑图案；以及，

计算处理系统5，在计算处理系统5中通过编程将全息图加载到空间光调制器上，并以视频形式循环播放，由于α一定时，奇数阶和偶数阶的权重均固定，此时动态全息图的播放频率固定；计算处理系统还与电荷耦合元件4电连接，用于对记录的所述不同阶数的贝塞尔光束的光斑光强进行叠加，产生所需要的暗和反暗无衍射光束。另由于接口延迟、存图效率等问题，需要将电荷耦合元件4的拍摄频率适当调慢。

使用本装置来产生暗和反暗无衍射光束时，通过氦-氖激光器1发出激光，经扩束镜2扩束后打到空间光调制器3上，空间光调制器3中加载有动态连续变化的贝塞尔光束全息图，如图2所示，激光透过后在其后侧传输空间中形成具有不同阶数的贝塞尔光束，并通过在不同传输距离处设置电荷耦合元件，记录下不同阶数的贝塞尔光束的光斑图案，最后通过计算处理系统5对记录的所述不同阶数的贝塞尔光束的光斑光强进行叠加，产生所需要的暗和反暗无衍射光束。

本实施例中，我们取α＝1和α＝-1来确定不同阶数的贝塞尔光束的对应权重。当α＝1，全息图取30张时，可以通过本征值的计算公式得到奇数阶贝塞尔光束的本征值为0，偶数阶贝塞尔光束的本征值为2，因此，得奇数阶贝塞尔光束的权重为,0，偶数阶贝塞尔光束的权重为1，因此可以取偶数阶贝塞尔全息图的播放频率固定为fps＝10，以及电荷耦合元件4的拍摄频率为fps＝30，循环拍摄1600张图片进行叠加统计平均，归一化后得到反暗无衍射光束，如图5～6所示，得到的光斑中心为亮斑，且随着距中心的距离增加，能量逐渐减小，并且趋于某一稳定值；当α＝-1时，奇数阶贝塞尔光束的本征值为2，偶数阶贝塞尔光束的本征值为0，奇数阶贝塞尔光束的权重为1，偶数阶贝塞尔光束的权重为0，取奇数阶贝塞尔全息图的播放频率固定为fps＝10，其余设定与上述步骤相同，可以得到暗无衍射光束，如图3～4所示，得到的光斑中心为暗斑，且随着距中心的距离增加，能量逐渐增大，并且趋于某一稳定值，并且我们实验也证明了随着传输距离的增加，该类光束近乎无扩散，如图7～9所示，其在不同传输位置处的光斑图案是一致的。

α＝0.5时，此时奇数阶贝塞尔光束的本征值为0.5，偶数阶贝塞尔光束的本征值为1.5，奇数阶贝塞尔光束的权重为0.25，偶数阶贝塞尔光束的权重为0.75，此时，奇数阶贝塞尔光束全息图的播放时间与偶数阶贝塞尔光束全息图的播放时间的比值应满足其各自权重的比值，如奇数阶贝塞尔全息图播放时间为1s时，偶数阶贝塞尔全息图的播放时间应设定为3s。

本实用新型通过对动态连续变化的不同阶数的贝塞尔光束进行叠加，产生了一种以贝塞尔光束作为本征模的部分相干无衍射光束，该光束的特征与暗和反暗孤子类似，故将其称之为暗和反暗无衍射光束，该类光束为研究光学非线性响应与色散或衍射效应之间的平衡性提供了一定的指导意义，同时在粒子捕获方面也具有重要的指导意义。

本实用新型的产生暗与反暗无衍射光束的装置，结构简单，能够产生稳定的暗和反暗光束，为研究光学非线性响应以及粒子捕获奠定了基础。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。