一种对称蝴蝶光束的调控与成像系统

1.本发明属于光学技术领域，具体涉及一种对称蝴蝶光束的调控与成像系统。


背景技术：

2.在光学领域中，一些具有突变函数的激光束在理论和应用上都引起了人们的极大兴趣。突变函数一般可以用7种基本突变来描述，即折叠、尖点、燕尾、蝴蝶、双曲脐带、椭圆脐带和抛物线脐带。在这些不同类型的光束中，其对称强度分布的调控成为近年来的一个研究热点。目前的研究中，大部分研究涉及艾里光束和皮尔斯光束，在2010年和2013年，分别在柱坐标系和和笛卡尔坐标系下实现了对称圆艾里光束、二维对称艾里光束。2021年，研究者将目光放眼于相对更高阶突变光束，即皮尔斯高斯光束和燕尾高斯光束，并对其对称结构进行深入研究，获得了对称皮尔斯和燕尾光束。随着突变函数阶数的增加，其调控光束的光场分布的难度会逐渐增加，复杂度随之提升。
3.研究者致力于获得更多具有可调性且光场结构稳定的的高维衍射突变光束，调控光束的聚焦距离和聚焦强度等，从而实现在众多光学领域的应用，如光通信，粒子捕获以及光学成像等领域。过去的研究中提出基于在艾里光束、艾里阵列的频谱叠加信息，利用逆傅里叶变换将信息调制在艾里光上，从而实现信息的传输。高阶衍射突变光束具有高维性，通过操控其状态变量荷控制变量参数，可将其调控，表现为各种不同的光场结构。随着对称衍射突变光束的阶数的提高，其展现为更加丰富多样的光场结构。实验上产生相应的光束的难度也随之增大。因此，提出有效的方法实现分布函数具有6阶及以上的高维矩形对称衍射突变光束，利用其独特的对称强度光场分布和传播特性，实现其信息的传输以及动态成像方面具有重要意义，对此尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明公开了一种对称蝴蝶光束的调控与成像系统，包括：
5.激光器，用于产生高斯光束；
6.扩束准直镜，对高斯光束进行准直并扩束；
7.图像，用于验证该系统对于图像信号传输的有效性；
8.分光棱镜，所述分光棱镜位于所述准直扩束镜和空间光调制器之间，用于将准直扩束后的高斯光束分光，一部分光传输至空间光调制器。
9.空间光调制器，用于加载由加载平面波与蝴蝶光束的干涉生成的相位全息图，对高斯光束进行相位调制。
10.4f光学系统，空间光调制器调制后反射的光束通过第一个透镜实现傅里叶变换，得到频谱面，将信息叠加在对称蝴蝶光束频谱上。光阑用于滤波获得正一级干涉条纹，第二个透镜用于将获取的干涉条纹进行逆傅里叶变换，从而将图像信息调制在对称蝴蝶光上。得到初始光场。
11.电荷耦合器件，用于接收初始光场以及衍射不同距离后的光场信息以及传输的图
像信息。
12.进一步的，所述激光器产生波长为532nm的高斯光束。
13.进一步的，所述扩束准直镜包括显微物镜和一个透镜，使用一个光阑，根据需要调整入射到空间光调制器上的光斑大小。
14.进一步的，反射式空间光调制器用于基于所述全息图产生所述对称蝴蝶光束。
15.进一步的，4f光学系统包括两个透镜和一个光阑，反射式空间光调制器调制后反射的光束通过第一个透镜实现傅里叶变换，得到频谱面；光阑放置在频谱面上，获取频谱面的正一级干涉条纹，第二个透镜与光阑的距离为其焦距，并对获取的干涉条纹进行逆傅里叶变换。
16.进一步的，所述电荷耦合器件用于接收产生的衍射了不同距离的对称蝴蝶光束和该系统传输的图像信息，其分辨率为2048
×
2048。
17.进一步的，所述全息图为对称蝴蝶光束的二维场分布于平面波干涉所获得，所述蝴蝶光束的光场分布函数为
18.u(x,y,0,0)＝bbu(x,p,0,0)bbu(y,p,0,0)，
19.其中bbu(
·
)为蝴蝶积分的变式：x,y,a1,a2为空间中的无量纲坐标。
20.本发明的工作原理：
21.上述对称蝴蝶光束的调控与成像系统，通过在空间光调制器上产生由模拟得到的对称蝴蝶光束与平面波进行干涉得到的相位调制图案，使用相位调制图案对高斯光束进行相位调制，从而得到对称蝴蝶光束。通过数值计算，给出蝴蝶光束在传输过程中不同横截面上的光强分布，其传播到特定距离处会发生自聚焦现象，成为一条能量最集中的亮线。由于其具有显著的自动聚焦和横向自加速传播特性，该光束在传播过程中会出现变形，随着传输距离的增加，光束的横截面光场分布会发生翻转，其光场逐渐从一个亮斑分裂成四个独立的主瓣。
22.本发明的有益效果：上述对称蝴蝶光束的调控与成像系统的有益效果有以下几点：
23.其一，蝴蝶光束可以在近场自动聚焦，相比较与传统的对称艾里光束，其纵向自动聚焦的区域更长。
24.其二，蝴蝶光束在聚焦后以矩形对称分布的形式发散，传递的信息发生变化，从而为我们提供了在传播过程中进行信息转换的机会。可以通过调节式中无量纲的分布因子改变矩形光场的分布与焦距，在动态成像方面以及光学加密方面具有潜力。
25.其三，蝴蝶光束也能够在矩形光强的主瓣上的引入涡旋，在传播过程中沿着轨迹可以体现的拓扑核特征。这种新型的对称光束为捕获粒子以及等离子体的应用开辟了另一种可能性。
附图说明
26.图1为本发明一实施例1，实施例2和实施例3的对称蝴蝶光束的调系统的流程示意图；
27.图2为本发明一实施例1加载在空间光调制器上的全息图；
28.图3为本发明一实施例1对称蝴蝶光束的侧视图轮廓和传播过程中的强度图以及能量流变化；
29.图4为本发明一实施例1对称蝴蝶光束传播强度图；
30.图5为本发明一实施例2调控的不同p值的对称蝴蝶光束传播强度图；
31.图6(a)展示了拓扑荷为2，4，6，8,-2，-4，-6，-8的对称蝴蝶涡旋光束的强度图，插图表示对应的相位；图6(b)展示了像散称蝴蝶涡旋光束衍射40cm后的的衍射光强图
32.图7为本发明一实施例3对称蝴蝶光束的成像系统和对称蝴蝶光束在不同距离下对字母“t”的动态成像示意图。
33.图8为本发明的系统图。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
35.如图1所示，本技术公开了一种产生和调控对称蝴蝶光束的系统，包括半导体固体激光器、扩束准直镜、空间光调制器、分光棱镜。4f光学系统以及电耦合器件，对入射光束的相位进行调控，生成对称蝴蝶光束。
36.本技术所述的对称蝴蝶光束在不同衍射距离的光场表达式的推导过程为：
37.蝴蝶积分的定义式为根据傅里叶变换，其角谱分布为
[0038][0039]kx
，ky为频谱的x,y方向的变量，p为常数因子，用于调控对称蝴蝶光束。对角谱分进行逆傅里叶变换并乘以高斯项，获得有限能量的对称蝴蝶光束的初始场分布：
[0040][0041]
通过菲涅尔衍射积分公式，可以获得对称蝴蝶光在不同衍射距离处的光场解析表达式，即：
[0042][0043]
其中，z是衍射距离，i是虚数单位，为波数，λ为波长，通过推导，进一步可得
[0044][0045]
其中，q(z)＝iz+zr，，
[0046]
本实施例中，通过模拟参数设置为w0＝1.5mm，b1＝b2＝0.07,p1＝p2＝0的对称蝴蝶
光束初始光场与平面波的干涉情况，获得相位全息图即图2，并加载到空间光调制器上，出射光束即为对称蝴蝶光束。进一步的模拟了对称蝴蝶光束的侧视图轮廓图3(a)和传播过程中的强度图即图3(b1-b4)。衍射距离设置为：z＝0，z＝0.03zr,z＝0.04zr,z＝0.045zr。其光场逐渐从一个亮斑分裂成四个独立的主瓣。此外，根据坡印廷矢量原理s是能量通量，磁场分布h，e是电场分布，c是真空中的光速，计算了不同衍射距离下，对称蝴蝶光束的能量流。从能量流图中也能清晰看出，随着衍射距离的变化，，主瓣能量逐渐分裂并向旁瓣转移，最终能量集中在四个主瓣上即图3(c1-c4)。从图中光强分布以及能量流图中，可清晰的表现出蝴蝶对称光束的对称性。此外，通过任意一点处的光强与对称蝴蝶光束初始平面的光强的比值模拟了对称蝴蝶光束的传播强度图。其自动聚焦强度与初始聚焦强度之比达到数倍。
[0047]
实施例2
[0048]
如图4，本实施例在实施例1的系统基础上，通过空间光调制器调制相位全息图，对对称蝴蝶光束的聚焦强度进行调控。
[0049]
调控对称蝴蝶光束聚焦强度的方法包括：
[0050]
改变常数因子p，其余参数设置同在实施例1，获得新的设置好参数相位全息图，用高斯光照射空间光调制器，即可得到新的对称蝴蝶光束。图5为不同p值情况下，对称蝴蝶光束在不同衍射距离下的传播强度图。据图分析，可得结论：调控p值可实现聚焦强度的改变，聚焦强度随着p值的增大而增大，并且聚焦距离变长。从而证明了对称蝴蝶光束的可调性。
[0051]
在对称蝴蝶光束的主瓣上的引入涡旋相位其中是方位角，生成对称蝴蝶涡旋光束，其次引用像散相位ψ＝a[(x2+y2)cos(2α)+2xysin(2α)]，从而生成像散称蝴蝶涡旋光束，其中参数设置为像散常数a＝1.1
×
106m-2
，像散角度在传播过程中沿着轨迹可以体现对称蝴蝶涡旋光束的拓扑荷特征。图6(a)展示了拓扑荷为2，4，6，8,-2，-4，-6，-8的对称蝴蝶涡旋光束的强度图，插图表示对应的相位。图6(b)展示了像散称蝴蝶涡旋光束衍射40cm后的的衍射光强图，根据衍射图案中的黑白相间的条纹，可判定其拓扑荷的符号以及大小，其暗条纹的数目等于拓扑荷的模，图中使用白色线条标记暗条纹位置，使用
①
，
②
对其暗条纹编号，而条纹的倾斜则表示拓扑荷的符号。像散对称蝴蝶涡旋光束的拓扑荷为正值时衍射图案相对于y轴顺时针倾斜45度，拓扑荷为负值时衍射图案相对于y轴成逆时针倾斜45度。
[0052]
实施例3
[0053]
在实施例1和实施例2的基础之上，将图像放置于空间光调制器的前面，高斯光携带图像信息传输至空间光调制器，通过透镜的傅里叶变换将图像信息叠加在对称蝴蝶光束的频谱上，再通过逆傅里叶变换为对称蝴蝶光束，从而将图像信息调制在对称蝴蝶光束上。由于对称蝴蝶光束的衍射特性，从而实现动态成像。如图7所示，字母t，在不同衍射距离下成像信息发生了转换，在z＝0，z＝0.03zr,z＝0.04zr，所成像分别为
‘
t’,
‘
+’，
‘
开’。从而明确了本技术所设计的系统具有传输信息以及动态成像的能力，在光学加密等应用中具有巨大潜力。
[0054]
本技术采用此系统实现了对称蝴蝶光束的调控以及成像，能够很好的调控光束的聚焦强度以及距离，并实现动态成像。系统结构简单，易操作。
[0055]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。