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一种高斯光综合实验教学系统及其实验方法

阅读：54发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种高斯光综合实验教学系统及其实验方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种高斯光综合实验教学系统及其实验方法，该系统包括高斯模式产生模块 Ⅰ、模式互相转化模块Ⅱ和模式采集模块Ⅲ；高斯模式产生模块Ⅰ包括激光器、衰减片、扩束系统、非偏振分束器等；模式互相转化模块Ⅱ包括一体化高斯光模式转换器等；模式采集模块Ⅲ为电荷耦合器件图像传感器；激光器用于产生基模高斯光，经衰减片减弱光强，接着利用扩束系统增大光斑大小，然后经过半波片调整光束的偏振成分，经过非偏振分束器后均匀且垂直入射空间光调制器，之后经过一个光学4F系统结合小孔，选出的第一级衍射光就是最终产生的高斯模式；第一级衍射光经反射镜反射后，依次通过调节透镜和一体化高斯光模式转换器，最后进入电荷耦合器件图像传感器。，下面是一种高斯光综合实验教学系统及其实验方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高斯光综合实验教学系统，其特征在于，包括高斯模式产生模块Ⅰ、模式互相转化模块Ⅱ和模式采集模块Ⅲ；其中，
高斯模式产生模块Ⅰ包括激光器、衰减片(2)、扩束系统(3)、半波片(4)、非偏振分束器(5)、空间光调制器(6)、光学4F系统(7)和小孔(8)；模式互相转化模块Ⅱ包括调节透镜(10)和一体化高斯光模式转换器(11)；模式采集模块Ⅲ为电荷耦合器件图像传感器(12)；
激光器用于产生基模高斯光(1)，经衰减片(2)减弱光强，接着利用扩束系统(3)增大光斑大小，然后经过半波片(4)调整光束的偏振成分，经过非偏振分束器(5)后均匀且垂直入射空间光调制器(6)，之后经过一个光学4F系统(7)结合小孔(8)，选出的第一级衍射光就是最终产生的高斯模式；第一级衍射光经反射镜(9)反射后，依次通过调节透镜(10)和一体化高斯光模式转换器(11)，最后进入电荷耦合器件图像传感器(12)。
2.根据权利要求1所述的一种高斯光综合实验教学系统，其特征在于，空间光调制器(6)上加载有能够产生不同高斯模式所对应的计算全息光栅，其由电脑程序完全控制，根据需要调整相应的参数，生成对应的光栅。
3.根据权利要求1所述的一种高斯光综合实验教学系统，其特征在于，一体化高斯光模式转换器(11)相当于是两个柱面透镜合成，当其焦距一定时，改变前边调节透镜(10)的焦距以及与一体化高斯光模式转换器(11)之间的距离，使光束经过模式转化模块Ⅱ后有一个合适的相位差，即实现厄米-高斯模式与拉盖尔-高斯模式之间的互相转换。
4.根据权利要求1所述的一种高斯光综合实验教学系统，其特征在于，调节透镜(10)是一个凸透镜，或者是多个透镜组成的束腰调节系统，用于将入射光束的束腰大小和束腰位置与一体化柱状透镜相匹配，以便于实现模式转换以及保证转化后的高斯模式的质量。
5.根据权利要求1所述的一种高斯光综合实验教学系统，其特征在于，电荷耦合器件图像传感器(12)用于对转化后的高斯光束进行观察和采集，分析处理实验数据，评价模式转化效果。
6.权利要求1至5中任一项所述的一种高斯光综合实验教学系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将激光器的功率调到最低，打开电源，将激光功率调到合适值；
(2)调节激光光束的高度及水平，使其射出的光束与实验中所用光学元件的中心高度一致；
(3)旋转衰减片(2)，实现光强调节；
(4)调节由两个透镜组成的扩束系统(3)，将光斑调至合适大小，观察光斑的变化规律；
(5)调节半波片(4)，控制激光器的偏振输出；
(6)设计产生不同阶HG模式光或LG模式光的计算全息光栅，加载在空间光调制器(6)上，利用电荷耦合器件图像传感器(12)，观察分析HG模式光或LG模式光的光强分布；
(7)光束经过一个光学4F系统(7)，结合小孔(8)选出的第一级衍射光，即实验所需的高斯模式；
(8)调整调节透镜(10)的位置或束腰调节系统，利用电荷耦合器件图像传感器(12)观察HG模式和LG模式之间的转换，并对模式转换效果进行分析。

说明书全文

一种高斯光综合实验教学系统及其实验方法

技术领域

[0001] 本发明属于光学实验教学技术领域，具体涉及一种高斯光综合实验教学系统及其实验方法。

背景技术

[0002] 高斯光是横向电场以及辐射照度分布近似满足高斯函数的电磁波光束，在光学领域中受到了广泛的关注和研究，其中厄米-高斯模式和拉盖尔-高斯模式是两种最常用的高斯模式。同时，高斯光能够较好地描述约束稳定腔基模激光束的特性，研究高斯光是研究其他类型激光束的基础，具有重要的意义。

[0003] 目前现有的有关高斯光的实验教学系统主要包括高斯光束本身特性的测量和探究，具体包含测量光束的束腰半径和位置、光束的远场发散角、光束的衍射倍率因子以及瑞利长度，进而引导学生探究高斯光束的透镜变换规律以及横模纵模的产生等。

[0004] 但是，以上提到这些内容都是高斯光实验教学中的基本内容，能够使学生对其基本性质有一定的了解，并没有涉及到实际应用中被广泛研究的两种高斯模式，拉盖尔-高斯模式和厄米-高斯模式。随着国际科学研究的不断发展，有必要在教学中融入这些科学前沿内容，开发一种现有激光类实验教学系统所缺少的，集拉盖尔-高斯模式和厄米-高斯模式的产生模块、模式互相转化模块和模式采集模块于一体的高斯光综合实验教学系统，这对学生后续的学习、科研和工作都具有非常重要的意义，也是物理实验教学创新发展的必然趋势。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种高斯光综合实验教学系统及其实验方法，该实验系统由拉盖尔-高斯模式和厄米-高斯模式的产生模块、模式互相转化模块和模式采集模块三部分构成。

[0006] 本发明采用如下技术方案来实现的：

[0007] 一种高斯光综合实验教学系统，包括高斯模式产生模块Ⅰ、模式互相转化模块Ⅱ和模式采集模块Ⅲ；其中，

[0008] 高斯模式产生模块Ⅰ包括激光器、衰减片、扩束系统、半波片、非偏振分束器、空间光调制器、光学4F系统和小孔；模式互相转化模块Ⅱ包括调节透镜和一体化高斯光模式转换器；模式采集模块Ⅲ为电荷耦合器件图像传感器；

[0009] 激光器用于产生基模高斯光，经衰减片减弱光强，接着利用扩束系统增大光斑大小，然后经过半波片调整光束的偏振成分，经过非偏振分束器后均匀且垂直入射空间光调制器，之后经过一个光学4F系统结合小孔，选出的第一级衍射光就是最终产生的高斯模式；第一级衍射光经反射镜反射后，依次通过调节透镜和一体化高斯光模式转换器，最后进入电荷耦合器件图像传感器。

[0010] 本发明进一步的改进在于，空间光调制器上加载有能够产生不同高斯模式所对应的计算全息光栅，其由电脑程序完全控制，根据需要调整相应的参数，生成对应的光栅。

[0011] 本发明进一步的改进在于，一体化高斯光模式转换器相当于是两个柱面透镜合成，当其焦距一定时，改变前边调节透镜的焦距以及与一体化高斯光模式转换器之间的距离，使光束经过模式转化模块Ⅱ后有一个合适的相位差，即实现厄米-高斯模式与拉盖尔-高斯模式之间的互相转换。

[0012] 本发明进一步的改进在于，调节透镜是一个凸透镜，或者是多个透镜组成的束腰调节系统，用于将入射光束的束腰大小和束腰位置与一体化柱状透镜相匹配，以便于实现模式转换以及保证转化后的高斯模式的质量。

[0013] 本发明进一步的改进在于，电荷耦合器件图像传感器用于对转化后的高斯光束进行观察和采集，分析处理实验数据，评价模式转化效果。

[0014] 一种高斯光综合实验教学系统的实验方法，包括以下步骤：

[0015] (1)将激光器的功率调到最低，打开电源，将激光功率调到合适值；

[0016] (2)调节激光光束的高度及水平，使其射出的光束与实验中所用光学元件的中心高度一致；

[0017] (3)旋转衰减片，实现光强调节；

[0018] (4)调节由两个透镜组成的扩束系统，将光斑调至合适大小，观察光斑的变化规律；

[0019] (5)调节半波片，控制激光器的偏振输出；

[0020] (6)设计产生不同阶HG模式光或LG模式光的计算全息光栅，加载在空间光调制器上，利用电荷耦合器件图像传感器，观察分析HG模式光或LG模式光的光强分布；

[0021] (7)光束经过一个光学4F系统，结合小孔选出的第一级衍射光，即实验所需的高斯模式；

[0022] (8)调整调节透镜的位置或束腰调节系统，利用电荷耦合器件图像传感器观察HG模式和LG模式之间的转换，并对模式转换效果进行分析。

[0023] 本发明至少具有如下有益的技术效果：

[0024] 本发明提供的一种高斯光综合实验教学系统，具有以下优点：

[0025] 1、本发明中的实验教学系统设计为三个模块，每个模块功能清晰，有助于学生理解掌握，并且每个模块都可作为一部分教学内容，包含了很多知识点，内容丰富，训练全面，使得整个系统具有较强的综合性，同时也弥补了现有激光类实验对量子信息前沿类实验的缺失；

[0026] 2、本发明中的实验教学系统的高斯模式产生模块和模式采集模块涉及程序编写内容，可控制性强，能够培养学生的科研兴趣和扎实的基础计算能力；

[0027] 3、本发明中的实验教学系统中的实验操作简单，只要适当控制实验者的调节难度，整个系统就会很适合于实验教学，也便于在科普场馆向观众演示，有助于更多的人理解和学习。

[0028] 本发明提供的一种高斯光综合实验教学系统的实验方法，具有以下优点：

[0029] 1、本发明的实验方法每一步都难易适中，可以很好的覆盖知识基础存在差异的学生，且使用方便，有助于实验者有效地掌握实验内容；

[0030] 2、本发明的实验方法步骤少且简洁明了，有利于教学者结合课堂实际时间，有效的安排教学内容，从而高效的完成教学任务；

[0031] 3、本发明的实验方法最终得出的实验结论准确，能够很好地与原理相符合，有助于学生结合实验现象进行自我学习和提升。附图说明

[0032] 图1是本发明实验教学系统的结构示意图。

[0033] 附图标记说明：

[0034] Ⅰ.高斯模式产生模块，Ⅱ.模式互相转化模块，Ⅲ.模式采集模块；

[0035] 1.基模高斯光，2.衰减片，3.扩束系统，4.半波片(HWP)，5.非偏振分束器(NPBS)，6.空间光调制器(SLM)，7.光学4F系统，8.小孔，9.反射镜，10.调节透镜，11.一体化高斯光模式转换器，12.电荷耦合器件图像传感器(CCD)。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

[0037] 如图1所示，本发明提供的一种高斯光综合实验教学系统，由三个模块构成：高斯模式产生模块Ⅰ、模式互相转化模块Ⅱ和模式采集模块Ⅲ。

[0038] 其中，高斯模式产生模块Ⅰ由激光器、衰减片2、扩束系统3、半波片4、非偏振分束器5和空间光调制器6、光学4F系统7和小孔8组成。激光器产生基模高斯光1，经衰减片2减弱光强，接着利用扩束系统3增大光斑大小，然后经过半波片4调整光束的偏振成分，经过非偏振分束器5后均匀且垂直入射空间光调制器6，之后经过一个光学4F系统7结合小孔8，选出的第一级衍射光就是最终产生的高斯模式。实验中，由于空间光调制器6的光强要求和偏振特性，在其之前的半波片4与非偏振分束器5兼具衰减光强和准备偏振态两种功能；空间光调制器6上加载有能够产生不同高斯模式所对应的计算全息光栅，其由电脑程序完全控制，根据需要调整相应的参数，生成对应的光栅。

[0039] 模式转化模块Ⅱ由调节透镜10和一体化高斯光模式转换器11组成，其中一体化高斯光模式转换器11相当于是两个柱面透镜合成，当其焦距一定时，改变前边调节透镜10的焦距以及与一体化高斯光模式转换器11之间的距离，使光束经过模式转化模块Ⅱ后有一个合适的相位差，即实现厄米-高斯模式与拉盖尔-高斯模式之间的互相转换。调节透镜10可以是一个凸透镜，也可以是多个透镜组成的束腰调节系统，其主要作用就是将入射光束的束腰大小和束腰位置与一体化柱状透镜相匹配，以便于实现模式转换以及保证转化后的高斯模式的质量。

[0040] 模式采集模块Ⅲ是通过电荷耦合器件图像传感器(CCD)12对转化后的高斯光束进行观察和采集，分析处理实验数据，评价模式转化效果。

[0041] 本发明提供的一种高斯光综合实验教学系统的实验方法，包括以下步骤：

[0042] (1)将激光器的功率调到最低，打开电源，将激光功率调到合适值。

[0043] (2)调节激光光束的高度及水平，使其射出的光束与实验中所用光学元件的中心高度一致。

[0044] (3)旋转衰减片2，实现光强调节。

[0045] (4)调节由两个透镜组成的扩束系统3，将光斑调至合适大小，观察光斑的变化规律。

[0046] (5)调节半波片4，控制激光器的偏振输出。

[0047] (6)设计产生不同阶HG模式光或LG模式光的计算全息光栅，加载在空间光调制器6上，利用电荷耦合器件图像传感器12，观察分析HG模式光或LG模式光的光强分布。

[0048] (7)光束经过一个光学4F系统7，结合小孔8选出的第一级衍射光，即实验所需的高斯模式。

[0049] (8)调整调节透镜10的位置或束腰调节系统，利用电荷耦合器件图像传感器12观察HG模式和LG模式之间的转换，并对模式转换效果进行分析。

[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施示例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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