產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的方法及 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)領(lǐng)域中，厄米-高斯光束是指光場滿足：
[0003]
[0004] 的光束，其中Hm(x)，Hn(y)為厄米多項(xiàng)式，m，n的取值決定厄米高斯光束的形態(tài)，可 以通過改變m，η的取值來改變厄米高斯光束。
[0005] 對于厄米高斯光束的研究目前業(yè)界一直只停留在實(shí)驗(yàn)室中，其應(yīng)用十分受限。
[0006] 尤其是，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)：目前產(chǎn)生所述厄米高斯光束的裝置都具有穩(wěn)定性 差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的方法及 裝置，其具有穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。
[0008] -種產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的裝置，其包括：
[0009] He-Ne激光器，用于發(fā)出高斯光束；
[0010] 準(zhǔn)直擴(kuò)束器，用于對高斯光束進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束；
[0011]起偏器，用于對擴(kuò)束后的高斯光束進(jìn)行處理，得到線偏振高斯光束；
[0012] 分光棱鏡，用于對線偏振高斯光束進(jìn)行分光處理得到反射光束與透射光束，所述 反射光束入射空間光調(diào)制器；
[0013] 計(jì)算機(jī)，用于向所述空間光調(diào)制器輸入產(chǎn)生不同種類的第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯 光束的包含〇到255級灰度信息的相位掩膜圖，所述相位掩膜圖符合公式：
[0014；
[0015] 公式中WQ表示光束的束寬，λ表示波長，1? = 2π/λ表示波數(shù)，z表示傳播距離，x、y表 示直角坐標(biāo)，b為第二階厄米高斯光束的分布因子，可控制光束形態(tài)；
[0016] 空間光調(diào)制器，用于根據(jù)所述計(jì)算機(jī)輸入的相位掩膜圖對所述線偏振高斯光束進(jìn) 行相位調(diào)節(jié)后以反射方式出射；以及
[0017] 傅里葉變換透鏡光闌，用于從所述空間光調(diào)制器出射的光束中選擇得到第二階厄 米復(fù)變函數(shù)高斯光束。
[0018] -種產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的方法，所述方法包括：
[0019]使用He-Ne激光器發(fā)出高斯光束；
[0020]使用準(zhǔn)直擴(kuò)束器對高斯光束進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束；
[0021 ]使用起偏器對準(zhǔn)直高斯光束進(jìn)行處理，得到線偏振高斯光束；
[0022] 使用分光棱鏡對線偏振高斯光束投射進(jìn)行分光處理；
[0023] 計(jì)算機(jī)向空間光調(diào)制器輸入產(chǎn)生不同種類的第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的包 含〇到255級灰度信息的相位掩膜圖，所述相位掩膜圖符合公式：
[0024]
[0025] 公式中wo表示光束的束寬，λ表示波長，1? = 2π/λ表示波數(shù)，z表示傳播距離，x、y表 示直角坐標(biāo)，b為第二階厄米高斯光束的分布因子，可控制光束形態(tài)；
[0026] 空間光調(diào)制器對分光后的高斯光束進(jìn)行相位調(diào)制之后以反射方式出射；以及
[0027] 傅里葉變換透鏡光闌從所述空間光調(diào)制器出射的光束中選擇得到第二階厄米復(fù) 變函數(shù)高斯光束。
[0028] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例提供的產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的方法 及裝置采用空間光調(diào)制器，通過預(yù)先加載的包含〇到255級灰度信息的相位掩膜圖對高斯光 束進(jìn)行相位調(diào)節(jié)后出射，并經(jīng)傅里葉變換后得到第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束。所述裝置 結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，并為生成第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束提供了一種切實(shí)可行的方法， 在機(jī)械加工、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域和在信息傳輸，微操控等方面應(yīng)用廣泛。
【附圖說明】
[0029] 為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施方式中所需要使用的附圖作 簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對于本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0030] 圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的一種產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束裝置的結(jié) 構(gòu)及光路不意圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的一種產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束方法的流 程圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例產(chǎn)生的第二階復(fù)變函數(shù)高斯光束的相位掩模圖和光強(qiáng)分 布圖（橫向強(qiáng)度分布因子b = 0.1);
[0033] 圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例產(chǎn)生的第二階復(fù)變函數(shù)高斯光束的相位掩模圖和光強(qiáng)分 布圖（橫向強(qiáng)度分布因子b = 0.5);
[0034] 圖5是本發(fā)明第二實(shí)施例產(chǎn)生的第二階復(fù)變函數(shù)高斯光束的相位掩模圖和光強(qiáng)分 布圖（橫向強(qiáng)度分布因子b = 0.75);
[0035] 圖6是本發(fā)明第二實(shí)施例產(chǎn)生的第二階復(fù)變函數(shù)高斯光束的相位掩模圖和光強(qiáng)分 布圖（橫向強(qiáng)度分布因子b = l);
[0036] 圖7是本發(fā)明第二實(shí)施例產(chǎn)生的第二階復(fù)變函數(shù)高斯光束的相位掩模圖和光強(qiáng)分 布圖（橫向強(qiáng)度分布因子b = 6);
[0037] 圖8是本發(fā)明第三實(shí)施例產(chǎn)生的第二階復(fù)變函數(shù)在不同的傳播距離上的相位掩模 圖和光強(qiáng)分布圖（橫向強(qiáng)度分布因子b = 0.1);
[0038] 圖9是本發(fā)明第三實(shí)施例產(chǎn)生的第二階復(fù)變函數(shù)在不同的傳播距離上的相位掩模 圖和光強(qiáng)分布圖（橫向強(qiáng)度分布因子b = l .5)。 圖10是本發(fā)明第三實(shí)施例產(chǎn)生的第二階復(fù)變函數(shù)過程中的干涉條紋圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0040] 實(shí)施例一
[0041] 請參閱圖1，本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的裝 置100,所述裝置100包括：
[0042] He-Ne激光器10,用于發(fā)出高斯光束；
[0043] 準(zhǔn)直擴(kuò)束器20，用于對高斯光束進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束；
[0044]起偏器30，用于對高斯光束進(jìn)行處理，得到線偏振高斯光束；
[0045]分光棱鏡40，用于對線偏振高斯光束進(jìn)行分光處理；
[0046]空間光調(diào)制器50,用于通過預(yù)先加載的包含0到255級灰度信息的相位掩膜圖對所 述高斯光束進(jìn)行相位調(diào)節(jié)后以反射方式出射;以及
[0047]透鏡光闌60,用于將分光處理后得到的反射光束經(jīng)傅里葉變換后得到第二階厄米 復(fù)變函數(shù)高斯光束。
[0048]所述裝置100還進(jìn)一步包括：圖像傳感器70,用于對第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束 進(jìn)行成像。所述圖像傳感器70為CCD傳感器。在本實(shí)例中，所述圖像傳感器70為單色圖像傳 感器。
[0049]另外，在本實(shí)施例中，所述裝置100還進(jìn)一步包括：一個與所述空間光調(diào)制器50相 連接的計(jì)算機(jī)80,所述計(jì)算機(jī)80用于向所述空間光調(diào)制器50輸入產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù) 高斯光束的相位掩膜圖90。
[0050] 在本實(shí)施例中，厄米-高斯光束是指光場滿足：
[0051]
[0052]的光束，其中Hm(x)，Hn(y)為厄米多項(xiàng)式，m，n的取值決定厄米高斯光束的形態(tài)，可 以通過改變m，η的取值來改變厄米高斯光束的形狀。
[0053] 厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束是指厄米多項(xiàng)式的自變量部分為復(fù)變函數(shù)，ΒΡ:
[0054]
[0055] 由于具有復(fù)數(shù)項(xiàng)從而厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束會出現(xiàn)暗核，可以通過改變復(fù)變函數(shù) 厄米多項(xiàng)式中m，n的值來控制暗核的形狀、大小以及位置。
[0056] 在本實(shí)施例中，第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束存在各種中心暗核光束，可以通過 改變橫向強(qiáng)度分布因子b(橫向強(qiáng)度分布因子，主要作用是調(diào)節(jié)相位掩膜圖90上的灰度分 布)使其具有一個暗核或者兩個暗核，同時還可以進(jìn)一步改變暗核的大小和形狀，這些特性 可用來攜帶不同大小和形狀的微觀粒子;并且第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束自身會旋轉(zhuǎn)， 這使得第二階厄米光束比普通中心暗核光束更有意義，可以被廣泛應(yīng)用。
[0057]本實(shí)施例依據(jù)的原理如下：
[0058] He-Ne激光器10產(chǎn)生的高斯光束的近軸波動方程為式子(1):
[0059](I)
[0060] 共中⑶是芾重。
[0061] 普通厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束在傳輸距離z = 0的電場分布定義為：
[0062]
(2)
[0063] 在本實(shí)施例中，所述裝置100取普通厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的一種情況:第二階厄 米復(fù)變函數(shù)高斯光束來產(chǎn)生光束。
[0064] 另外，在本實(shí)施例中，經(jīng)空間光調(diào)制器50得到的第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束在 傳輸距離z = 0的電場分布定義為式(2'）
[0065]
轉(zhuǎn)
[0066] 其中b是橫向強(qiáng)度分布因子，主要作用是調(diào)節(jié)相位掩膜圖上的灰度分布。wO是產(chǎn)生 第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的束寬。
[0067] 惠更斯-菲涅爾衍射積分公式在直角坐標(biāo)的表達(dá)式為式(3):
[0068]
[0069]在自由空間中傳播時，第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束在近場下得電場分布為式 (4)：
[0070]
[0071 ] 公式中WQ表示光束的束寬，λ表示波長，1? = 2π/λ表示波數(shù)，z表示傳播距離，x、y表 示直角坐標(biāo)，b為第二階厄米高斯光束的分布因子，可控制光束形態(tài)；
[0072] 其中（4)式為本實(shí)施例的核心，利用(4)式可以生成不同種類的產(chǎn)生第二階厄米復(fù) 變函數(shù)高斯光束的相位掩膜圖90,將這些不同的相位掩膜圖90導(dǎo)入空間光調(diào)制器50中便可 調(diào)制出不同種類的第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束。
[0073] 產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的光場受到橫向強(qiáng)度分布因子b的調(diào)制:b初始 值為0.01mm時，光場強(qiáng)度分布表現(xiàn)為圓環(huán)形分布，且具有中心暗核特性;隨著參數(shù)b的增大， 光場分布不再呈圓環(huán)形，而是出現(xiàn)一對強(qiáng)度對稱的強(qiáng)度帶分布。同時，隨著參數(shù)b不斷增大， 光場方程趨近于高斯函數(shù)，故產(chǎn)生第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束的光場分布受到參數(shù)b調(diào) 控的變化是:從中心暗核型逐漸演變?yōu)楦咚剐?，由此說明可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)b來產(chǎn)生不同類 型的第二階厄米復(fù)變函數(shù)高斯光束。
[0074]另外，光束發(fā)生旋轉(zhuǎn)的程度與傳播距離密切相關(guān)。一般來說，在1倍瑞麗距離處旋 轉(zhuǎn)45