一种大尺度调控艾里光束传输轨迹的方法 |
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| 申请号 | CN201710320057.3 | 申请日 | 2017-05-08 | 公开(公告)号 | CN107346043A | 公开(公告)日 | 2017-11-14 |
| 申请人 | 浙江师范大学; | 发明人 | 吴琼; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种大尺度调控 艾 里光束传输轨迹的方法。该方法基于衍射理论及艾里函数的定义，在艾里光束立方 相位 板的中心偏离 傅立叶变换 透镜光轴的情况下，推导了艾里光束的峰值轨迹表达式，确定了影响艾里光束传输轨迹的因素为：傅里叶变换透镜的焦距，相位掩膜板中心偏离傅立叶变换透镜光轴的横纵向错位。通过全息缩微输出系统制备大尺度的立方相位掩膜板，增加相位掩膜板中心偏离傅立叶变换透镜光轴的横、纵向错位，可以实现大范围地调控艾里光束初始发射 角 ，从而实现大范围调控艾里光束传输轨迹。本发明使用大尺寸的立方相位掩膜板产生艾里光束，大大增加了艾里光束初始发射角的范围，为大幅度调控艾里光束传输轨迹提供了一种新的方案。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种大尺度调控艾里光束传输轨迹的方法，其特征在于：基于全息打印技术制作大尺寸立方相位掩膜板，通过大范围调节傅里叶变换透镜光轴和相位板中心的偏移，较大范围改变艾里光束的初始发射角，从而大范围地改变和控制艾里加速光束的传输轨迹。 |
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| 说明书全文 | 一种大尺度调控艾里光束传输轨迹的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种光束的传输轨迹控制技术，公开了一种大尺度调控艾里光束传输轨迹的方法。基于产生艾里光束的立方相位傅立叶变换的定义，在相位掩膜板中心偏离傅立叶变换透镜光轴的情况下，推导出了艾里光束的峰值轨迹。理论推导结果表明，傅里叶变换透镜光轴和相位板中心的错位越大，艾里加速光束的传输轨迹可控制范围越大。 背景技术[0003] 艾里光束是一种新型无衍射光束。艾里光束的新颖特性在于，它在传播过程中能够横向加速，类似于弹丸在重力作用下的加速抛物弹道轨迹。沿弯曲轨迹传输的加速特性，可应用于粒子微观操控等各种科学领域。不同的科学实验需要艾里光束沿不同的曲线轨迹传输，近年来，人们采取各种办法，实现艾里光束的传输轨迹控制。 [0004] Zhang P等用金属薄膜耦合光栅产生艾里等离子激元实现光束运动轨迹控制[Phys.Rev.Lett.,2007,99(21):213901]，Ye Z等利用改变光诱导晶体梯度折射率梯度来改变艾里光束的加速方向[Opt.Lett.,2011,36(16):3230]，Liu W等通过楔形的金属-电介质-金属结构产生线性光势对艾里光束等离子激元进行轨迹操控[Opt.Lett.,2011,36(7):1164]。Efremidis N K研究了不同的折射率梯度中艾里光速传输的特性[Opt.Lett.,2011, 36(15):3006]，Dolev I等发现通过非线性光子晶体可产生艾里光束，改变同一非线性光子晶体的温度能改变二次谐波产生和差频产生的相位匹配条件，从而改变输出光束的加速方向[Opt.Lett.,2010,35(10):1581]。 [0005] G.A.Siviloglou和Chen Z G等利用傅立叶变换透镜、入射光束和相位调制元件之间中心偏离的办法，给艾里光束引入初始发射角，来实现对艾里光束传输轨迹的控制[Opt.Lett.,2010,35(13):2260；Opt.Lett.,2008,33(3):207]。该方法简单而有效，但由于传统的相位调制元件——空间光调制器尺寸有限，引入的偏移量较小。这就大大限制了对艾里光束传输轨迹的调控范围。 发明内容[0006] 利用傅立叶变换透镜和相位调制元件之间中心偏离的办法，来实现艾里光束传输的轨迹控制，是一种简单有效的方法，但传统的相位调制元件——空间光调制器(SLM)有限的尺寸，限制了艾里光束传输轨迹的控制范围。 [0007] 本发明提供了一种大尺度调控艾里光束传输轨迹的方法。主要是利用全息打印的技术，用全息缩微输出系统来制作大尺寸立方相位掩膜板，通过相位掩膜板偏离光轴中心的方法，偏离距离越大，艾里光束的初始发射角变换幅度越大。用全息缩微输出系统来制作的大尺寸立方相位掩膜板，为实现艾里光束传输轨迹的大幅度调控，奠定了基础。 [0008] 本发明技术的理论基础如下： [0009] 经典的产生艾里光束的方法是用平行光入射到立方相位掩模板，再经傅立叶变换透镜变换后得到。以透镜的光轴为z轴，立方相位掩模板的傅立叶变换过程，数学上可写为： [0010] [0011] 其中 [0012] u(ξ,η)＝exp[ikφ(ξ,η)]. (2) [0013] (1)式中，(ξ,η)和(x0,y0)为截面坐标，k＝2π/λ为波数。z为以傅里叶变换透镜后焦面为起点的纵向传输坐标。f为傅里叶变换透镜的焦距。 [0014] (2)式为平行光入射到相位掩模板后的光束振幅分布。 [0015] 如果相位掩膜板中心偏离傅立叶变换透镜光轴，即相位掩模板中心位于(ξ0,η0)，则有 [0016] φ(ξ,η)＝β[(ξ-ξ0)3/3+(η-η0)3/3]. (3) [0017] (3)式为产生艾里光束的相位分布，其中β为控制常数。 [0018] 经典产生艾里光束的方法，均要求相位掩模板中心与光轴重合，即相位掩模板中心位于(0,0)处。 [0019] (3)式带入(2)式后再带入(1)式，积分后可得 [0020] [0021] 根据艾里函数的定义，可知|Ai(-1.018)|为艾里函数最大值，由式(4)，可求得艾里光束的峰值轨迹为 [0022] [0023] 令 可知(5)式为抛物线轨迹，与重力作用下弹丸的轨迹方程在形式上完全相同。参照经典力学的概念，把这种光束定义为加速光束。 [0024] xA、θA、aA分别为艾里光束主陲传输轨迹的初始位置，初始发射角度和加速度。对于给定的光束(波长λ为常数)，傅立叶变换透镜的焦距f决定了光束轨迹的初始位置、初始发射角度和加速度。当ξ0＝0，η0＝0时，加速轨迹的初始发射角为0，是经典艾里光束的传输轨迹。 [0025] 式(5)表明，θA和aA均影响传输轨迹。 [0026] 当傅里叶变换透镜确定的情况下，即f确定的情况下，aA是常数。在加速度aA一定的情况下，初始发射角aA越大，传输轨迹的变化越大。根据式(5)可以得出，焦距f和横、纵向偏移量ξ0和η0是决定初始发射角θA的两个因素。对于给定的傅里叶变换透镜，焦距f是确定的。f一定的情况下，改变ξ0(η0)是改变艾里光束加速轨迹的唯一因素。 [0027] 但传统的相位调制元件SLM尺寸有限，因此横向位错的调控范围极有限，即ξ0(η0)的取值范围受SLM尺寸所限。以较为常用的Holoeye公司的SLM(型号：PLUTO-VIS-016)为例，SLM像素数为1920×1080pixel，像元尺寸为8μm，SLM的调制范围为15.36mm×8.64mm，这意味着横向(纵向)位错的引入不可能超过7.68mm(4.32mm)。因此，使用SLM不能引入大范围的调控错位，控制初始发射角的范围极有限。 [0028] 本发明利用全息缩微输出系统制备大尺度立方相位掩膜板。全息缩微输出系统组成主要包括高分辨率的透射式SLM(1024×768pixel)、缩微镜头和数控平台。全息缩微输出系统的工作原理，是将全息图根据SLM的像素数分割成若干幅，分割好的全息图通过计算机控制SLM逐帧显示，再把SLM上的全息图用光学系统缩微按顺序成像到感光材料上。记录图像的感光材料安装在数控步进平台上，随着全息图逐个输入，步进平台在XY平面上移动，整幅全息图可以拼接而成。通过这种拼接的方法，可以得到分辨率高、尺寸大的全息图。系统输出的全息图像元尺寸为0.57μm。与液晶空间光调制器加载的相位图相比，该系统制作的相位图分辨率可达170lp/mm，加工尺寸最大可达100mm×100mm，衍射效率高。这就为制备大尺度立方相位掩膜板奠定了基础。 [0029] 与液晶空间光调制器最大只能加载15.36mm×8.64mm的相位图相比，利用全息缩微输出系统可以制作更大尺寸(100mm×100mm)的相位掩膜板，这为引入大的位错，从而引入大的初始发射角，实现大幅度控制艾里光束传输轨迹，提供了一种新的方案。 [0030] 此外，经典的加速艾里光束，初始发射角为0。初始发射角为0的艾里光束的传输轨迹不存在拐点。初始发射角θA为正值时，传输轨迹有一个拐点，拐点是加速光束绕过障碍物能力最大的位置，正初速度的引入，艾里光束的传输轨迹出现了拐点。对应的传输距离为z0＝2βf2ξ0，顶点值为 即，由光学系统参数和位错值，可确定拐点位置。 [0031] 本发明的技术效果： [0033] 图1全息缩微输出系统制备大尺度立方相位掩膜板原理图。 [0034] 图2产生和调控艾里光束传输轨迹的实验装置示意图。 具体实施方式[0035] 以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。 [0036] 图1为全息缩微输出系统制备大尺度立方相位掩膜板原理图。包括：光源(1)、扩束准直系统(2、3)、SLM(4)、缩微镜头(5)、记录介质(6)、数控步进平台(7)。 [0037] 实验实施过程如下： [0038] 1、光源(1)经扩束准直系统(2、3)扩束准直为平行光，入射到SLM(4)上。 [0039] 2、系统利用SLM(4)载入全息图，通过缩微透镜(5)将全息图缩微到记录介质(6)上。 [0040] 3、数控步进平台(7)移动记录介质(6)实现对全息图的拼接，实现对大尺度立方相位掩膜板(6)的制备。 [0041] 图2为本发明大尺度调控艾里光束传输轨迹的方法，实验装置包括：激光束(8)、扩束准直系统(9、10)、相位掩膜板(11)、三维微位移平台(12)、傅里叶变换透镜(13)、科学CCD相机(14)。 [0042] 实验实施过程如下： [0043] 1、激光束(8)经过扩束系统(9、10组成)对光束进行扩束准直后入射立方相位掩膜板(11)。 [0044] 2、立方相位掩膜板(11)，调制入射光束的波前分布。 [0045] 3、调制后的光束经透镜(13)傅里叶变换后，在透镜的焦平面后用科学CCD相机(14)记录艾里光束轨迹的传输过程。 [0046] 4、调节微位移平台(12)，在垂直于光轴方向，上下左右移动相位掩膜板，改变相位板中心与光轴的横纵向错位幅度，从而改变光束的初始发射角，实现艾里光束传输轨迹的大幅度调控。 |
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