一种产生和调控对称燕尾光束的系统

1.本实用新型涉及光学技术领域，具体涉及一种产生和调控对称燕尾光束的系统。


背景技术：

2.在光学领域中，傍轴波动方程的解一直都是研究热点。其中，拉盖尔高斯光束、厄米高斯光束、因斯高斯光束已被理论证明其是旁轴波动方程在圆柱坐标系、直角坐标系、椭圆坐标系的稳定解。近年来，傍轴波动方程的奇点解受到广泛关注。这种解的结构基于光学突变理论，由衍射突变积分描述。根据解的维度，可分为七种结构类型：折叠、尖点、燕尾、蝴蝶、椭圆形脐带、双曲线脐带和抛物线脐带。在目前的研究中，大部分的研究仅涉及低阶突变光束，即艾里光束和皮尔斯光束。
3.为达到稳定的光场结构，对称光场的产生也一直是热门话题。在2014年，p.vaveliuk提出了艾里光束的变形——对称艾里光束。该光束在传播过程中会自动聚焦，形成一个亮斑，而后会分裂成四个独立的主瓣。而在2018年的一篇研究中发现，由于对称光场的存在及其自聚焦和发散的特性，对称艾里光束可以引导涡旋的运动。这一发现将会拓展光学粒子捕获及光通信的应用前景。然而，对称艾里光束由于阶数较低，难以调控聚焦能力。如何获得一个对称分布且可调的光场是光学技术领域的一个亟待解决的问题。而在目前的研究中，尚未给出一个解决方案。


技术实现要素：

4.有签于此，基于燕尾光束的多样性和可调性，针对无法产生和调控对称燕尾光束的问题，本实用新型给出一种产生和调控对称燕尾光束的系统。
5.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种产生和调控对称燕尾光束的系统，包括：
7.激光器，用于产生高斯光束；
8.准直扩束镜，设置于激光器的出射口处，用于对所述高斯光束进行准直扩束；
9.反射式空间光调制器，设置在所述高斯光束的传输路径上，用于加载相位全息图；该相位全息图是模拟平面波与对称燕尾光束的干涉场分布得到；
10.非偏振分光棱镜，设置于准直扩束镜和反射式空间光调制器之间，用于接收所述高斯光束,并对所述高斯光束进行分光处理，一部分传输至所述反射式空间光调制器后继续传播；
11.4f光学系统，用于接收经反射式空间光调制器反射的光束并进行滤波，得到初始光场；
12.光束质量分析仪，设置于4f光学系统后，用于收集所述初始光场的传播信息，得到对称燕尾光束。
13.进一步地，所述4f光学系统包括两个透镜和一个光阑；光阑处于两个透镜之间，且到两个透镜的距离为各自透镜的焦距；其中，第一个透镜对经反射式空间光调制器反射的
光束进行傅里叶变换，得到频谱面；光阑用于选取所述频谱面的正一级干涉条纹；第二个透镜用于对经光阑选取后的光束进行逆傅里叶变化。
14.进一步地，所述氦氖激光器、准直扩束镜、非偏振分光棱镜、4f光学系统、反射式空间光调制器和光束质量分析仪设置在同一轴线上。
15.进一步地，所述激光器为氦氖激光器。
16.进一步地，所述激光器产生波长为632.8nm的高斯光束。
17.进一步地，所述准直扩束镜的倍率为
×
8。
18.进一步地，所述光束质量分析仪分辨率为5742
×
3268。
19.与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：
20.本实用新型的产生和调控对称燕尾光束的系统，解决了相关技术中无法获得对称燕尾光束的问题，拓展了对称光场的种类及结构，在粒子捕获及光通信有着潜在的应用价值。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为实施例1和实施例2产生和调控对称燕尾光束的系统的示意图；
23.图2为实施例1和实施例2中产生的相位全息图；
24.图3为实施例1中对称燕尾光束传播侧视图及部分截面图；
25.图4为实施例1中对称燕尾光束传播强度图；
26.图5为实施例2中对称燕尾光束的部分截面图；
27.图6为实施例3的产生和调控对称燕尾光束的系统的调控流程图；
28.图7为实施例3中不同p值所对应的相位全息图；
29.图8为实施例3中不同p值对称燕尾光束的传播强度图。
具体实施方式
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例子仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1
32.如图1所示，本实用新型提供一种产生和调控对称燕尾光束的系统，包括氦氖激光器、准直扩束镜、反射式空间光调制器、非偏振分光棱镜、4f光学系统和光束质量分析仪；
33.所述氦氖激光器用于产生高斯光束；
34.所述准直扩束镜设置于激光器的出射口处，用于对所述高斯光束进行准直扩束；
35.所述反射式空间光调制器设置在所述高斯光束的传输路径上，用于加载相位全息图；该相位全息图是模拟平面波与对称燕尾光束的干涉场分布得到；
36.所述非偏振分光棱镜设置于准直扩束镜和反射式空间光调制器之间，用于接收所述高斯光束,并对所述高斯光束进行分光处理，一部分传输至所述反射式空间光调制器后继续传播；
37.所述4f光学系统用于接收经反射式空间光调制器反射的光束并进行滤波，得到初始光场；
38.所述光束质量分析仪设置于4f光学系统后，用于收集所述初始光场的传播信息，得到对称燕尾光束。
39.具体地，所述4f光学系统包括两个透镜和一个光阑；光阑处于两个透镜之间，且到两个透镜的距离为各自透镜的焦距；其中，第一个透镜对经反射式空间光调制器反射的光束进行傅里叶变换，得到频谱面；光阑用于选取所述频谱面的正一级干涉条纹；第二个透镜用于对经光阑选取后的光束进行逆傅里叶变化。
40.具体地，所述氦氖激光器、准直扩束镜、非偏振分光棱镜、4f光学系统、反射式空间光调制器和光束质量分析仪设置在同一轴线上。
41.本实用新型对称燕尾光场表达式推导过程为：
42.一维燕尾表达式为其中p为用于调控对称燕尾光束的常数因子。其角谱分布为：式中，k
x
为频谱空间变量，为取得对称燕尾光束，我们需改变频谱的奇偶性，则对称燕尾光束的角谱分布为：
[0043][0044]
最后再对上式进行逆傅里叶变换再乘以高斯项(保证能量有限)，即可获得对称燕尾光束在初始平面的表达式为：
[0045][0046]
式中w0为高斯束宽，p为用于调控对称燕尾光束的常数因子,ssw(
·
)为燕尾积分的变式：将对称燕尾光束初始平面表达式代入菲涅尔衍射积分公式便可得到其在三维空间的解析表达式，即：
[0047][0048]
其中，i为虚数单位，λ为波长，k为波数。
[0049]
本实施例中，参数选取如下：w0＝4mm,p＝0。图2为本实施例中所产生的相位全息图。图3为本实施例中仿真模拟的对称燕尾光束传播侧视图及部分截面图。其中，(a)为传播侧视图，(b1)-(b4)为
[0050]
z＝0,z＝0.67m,z＝1.00m,z＝1.45m的截面图。图4为本实施例中仿真模拟的对称燕尾光束传播强度图。其中归一化光强定义为：任意一点处的光强与初始平面处光强的比值。
[0051]
实施例2
[0052]
如图1所示，本实用新型提供一种产生和调控对称燕尾光束的系统，包括氦氖激光器、准直扩束镜、反射式空间光调制器、非偏振分光棱镜、4f光学系统和光束质量分析仪；
[0053]
所述氦氖激光器用于产生高斯光束；所述高斯光束的波长为632.8nm；
[0054]
所述准直扩束镜设置于设置于激光器的出射口处，用于对所述高斯光束进行准直扩束；倍率为
×
8；
[0055]
所述反射式空间光调制器设置在所述高斯光束的传输路径上，用于加载相位全息图；该相位全息图是模拟平面波与对称燕尾光束的干涉场分布得到；
[0056]
所述非偏振分光棱镜设置于准直扩束镜和反射式空间光调制器之间，用于接收所述高斯光束,并对所述高斯光束进行分光处理，一部分传输至所述反射式空间光调制器后继续传播；
[0057]
所述4f光学系统分辨率为5742
×
3268，用于接收经反射式空间光调制器反射的光束并进行滤波，得到初始光场；
[0058]
所述光束质量分析仪设置于4f光学系统后，用于收集所述初始光场的传播信息，得到对称燕尾光束。
[0059]
具体地，所述4f光学系统包括两个透镜和一个光阑；光阑处于两个透镜之间，且到两个透镜的距离为各自透镜的焦距；其中，第一个透镜对经反射式空间光调制器反射的光束进行傅里叶变换，得到频谱面；光阑用于选取所述频谱面的正一级干涉条纹；第二个透镜用于对经光阑选取后的光束进行逆傅里叶变化。
[0060]
具体地，所述氦氖激光器、准直扩束镜、非偏振分光棱镜、4f光学系统、反射式空间光调制器和光束质量分析仪设置在同一轴线上。
[0061]
本实施例中，参数选取如下：w0＝4mm,p＝0。图2为本实施例中所产生的相位全息图。图5为本实施例中产生的对称燕尾光束的部分截面图。其中(a1)-(a4)与图3的(b1)-(b4)相对应。可以看到，本实施例中的系统所产生的对称燕尾光束与仿真模拟相吻合，是可行的，可实施的。
[0062]
实施例3
[0063]
如图6所示，本实施例在实施例1的基础上，进行如下步骤：
[0064]
s1、改变常数p；
[0065]
s2、获取新的相位全息图；
[0066]
s3、重新产生对称燕尾光束。
[0067]
本实施例中，参数选取如下：w0＝4mm。图7为不同p值所对应的相位全息图。图8为不同p值对称燕尾光束的传播强度图，可见，随着p的增大，聚焦强度增大，聚焦距离变长。因此，可以通过调节常数p，调控对称燕尾光束。
[0068]
本实用新型采用该系统产生和调控对称燕尾光束,具有造价低、系统简单、操作方便等优点，解决了无法产生和调控对称燕尾光束的问题。
[0069]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。