一種基于切趾波帶片產生局域空心光束的新方法

朱厚飛,姜利平,劉玲玲,王海鳳（上海理工大學光電信息與計算機工程學院,上海 200093）

一種基于切趾波帶片產生局域空心光束的新方法

朱厚飛,姜利平,劉玲玲,王海鳳
（上海理工大學光電信息與計算機工程學院,上海 200093）

根據相移切趾器原理設計了七環π相移切趾波帶片,準直光束經波帶片與透鏡聚焦后產生局域空心光束。理論上根據標量衍射理論研究局域空心光束的光場分布,并對其光強分布進行仿真,證明光束的三維“密閉性”。實驗中基于空間光調制器與透鏡相位得到暗斑最大半徑為50.4μm的局域空心光束,且光強為零,其實驗結果與理論分析基本吻合。

相移切趾器；局域空心光束；空間光調制器；透鏡位相

引 言

隨著激光技術的發展及激光應用領域的擴展,新型光束的產生與研究一直是熱點研究領域。局域空心光束指的是光強為零或光強較小的區域的四周被光強較大的光場包圍的特殊光束,它像一個特殊的“密閉容器”,也被稱為“瓶狀光束”（bottle beam）［］。局域空心光束在微觀粒子操控［2］、激光導管［3］、光鑷［4］及光學扳手［5-6］等方面具有廣泛應用,因此有關局域空心光束的產生方法一直是眾多學者關注的焦點。

目前,產生局域空心光束的方法有很多,如高斯光束與拉蓋爾高斯光束干涉法［1］、端面抽運固體激光器法［7-8］、軸棱鏡法［9］、莫爾條紋法［10］和散斑圖法［11］等。但這些方法轉換效率低,且產生的暗斑區域光強不夠小。為了解決這一問題,本文提出一種基于切趾波帶片［12-14］產生局域空心光束的新方法,并得到暗斑最大半徑為50.4μm的局域空心光束。此方法能量轉換效率高、實驗裝置簡單且暗斑區域光強為零,可以實現光學隱身［15-16］等方面的應用。

1　理論分析與模擬

基于相移切趾器原理［12-14］,設計一七環π相移切趾波帶片如圖1所示。對于強度分布均勻的光束,當其經波帶片與透鏡聚焦后,光束的歸一化振幅分布為［12］

式中:N為波帶片環數（N=7）；φj（j=1,2,…,N）為波帶片第j環相位（φj=0,π,0,π,0,π,0）；rj（j=0,1, 2,…,N）為波帶片第j環半徑（rj=0,0.084,0.206,0.386,0.594,0.794,0.944,1）；r為徑向坐標；J0為零階貝塞爾函數；ρ為徑向簡化坐標；z為軸向簡化坐標。

式中:R為徑向實際坐標；Z為軸向實際坐標；NA為物鏡數值孔徑。

光束沿光軸（ρ=0）歸一化振幅分布為

光束在焦平面（z=0）處沿徑向歸一化振幅分布為

圖1　七環π相移切趾波帶片Fig.1　Seven-portionπphase-shifting apodizer zone plate

根據以上理論,模擬準直光束經過七環π相移切趾波帶片與透鏡聚焦后得到的局域空心光束在光軸面上三維光強分布以及沿軸向一維光強分布如圖2（a）、（b）所示。由圖2可以看出,光束在距離焦點簡化長度0～10范圍內光強為零,而在距離焦點簡化長度20～30范圍內光強較大。因此局域空心光束在軸向具有焦點附近光強為零、較遠位置光強較大的特點,表現出光束沿軸向的“密閉性”。

局域空心光束在焦平面（z=0）上三維光強分布以及沿徑向一維光強分布如圖3（a）、（b）所示。由圖3可以看出,光束在焦平面上距離光軸簡化長度0～8范圍內光強為零,而在距離光軸簡化長度分別為15、19時均出現光強極大值,而后光強減弱。因此局域空心光束在徑向具有光軸附近光強為零、較遠位置光強較大的特點,表現出光束沿徑向的“密閉性”。

圖2　局域空心光束沿軸向光強分布Fig.2　The intensity distribution along axial direction of bottle beam

圖3　局域空心光束沿徑向光強分布Fig.3　The intensity distribution along radial direction of bottle beam

2　實驗驗證

根據以上理論,從實驗中可產生局域空心光束,實驗裝置如圖4所示。He-Ne激光器出射波長為632 nm線偏振光,經擴束準直后得到光斑半徑為4.32 mm,再經衰減片與分光棱鏡后入射到空間光調制器液晶屏上。此處選用Holoeye公司Pluto型純相位空間光調制器,其液晶屏像素個數為1 920×1 080,像素大小為8μm,有效面積為15.36 mm×8.64 mm。基于圖1結構制作的波帶片相位如圖5（a）所示,其最大半徑恰好匹配液晶屏寬度,波帶片之外為光柵相位,用于消除零級衍射誤差。聚焦透鏡利用空間光調制器自帶的透鏡相位,當其相位值為正值時,其調制作用相當于一凹面鏡。根據波帶片結構,并經過多次實驗嘗試選用相位值為20的透鏡相位,如圖5（b）所示,并通過實驗測得焦距為36.2 cm,其對應的凹面鏡數值孔徑為0.01。將波帶片相位（圖5（a））與透鏡相位（圖5（b））疊加得到如圖5（c）相位圖,將其加載于空間光調制器液晶屏上,并對入射光束進行調制與聚焦,會聚光束經分光棱鏡反射后聚焦。而后,利用CCD探測光束在焦點附近的強度分布。

圖4　實驗裝置圖Fig.4　Experiment setup

圖5　液晶屏上加載的相位圖Fig.5　Phase diagram load on LCOS

局域空心光束在實際坐標Z=1.5、1.0、0.5、0 cm處光強分布的理論值與實驗值如圖6所示。當Z=1.5、1.0 cm時,光束中心為亮斑,其半徑分別為21.0、16.8μm；當Z=0.5、0 cm時,光束中心為暗斑,暗斑半徑分別為31.5、50.4μm,且暗斑光強為零。可以看出,沿軸向距離焦點位置越來越近時,光束中心由亮斑逐漸變為暗斑且暗斑半徑越來越大,在焦點處達到最大值。而后,隨著距離焦點位置越來越遠,光強分布呈現與之前相反的變化規律。因此,局域空心光束在焦點處暗斑最大,遠離焦點時暗斑逐漸變小直至出現亮斑,這再次驗證了局域空心光束的三維“密閉性”。實驗值與理論值基本吻合,只是實驗觀察到的亮環較暗且只表現出內部亮環,而外部亮環沒有出現,這主要是為了不使光束強度超過CCD損傷閾值,使用衰減片對光強進行減弱,因此亮環變暗,又由于外部亮環光強本身較小,衰減后自然沒有出現。

圖6　局域空心光束在實際坐標Z=1.5、1.0、0.5、0 cm處的強度分布Fig.6　The intensity distribution of bottle beam at genuine axial coordinate Z=1.5，1.0，0.5，0 cm

3　結 論

本文提出了一種基于切趾波帶片產生局域空心光束的新方法,并在實驗中利用空間光調制器產生暗斑最大半徑為50.4μm的局域空心光束。由于波帶片相位與透鏡相位參數可以修改,該方法具有靈活性強、操作簡單且光能量轉換效率高等優點,又由于光束暗斑光強為零,故可應用于光學隱身等方面的研究。

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（編輯:程愛婕）

A new method to generate bottle beam based on phase-shifting apodizer

ZHU Houfei,JIANG Liping,LIU Lingling,WANG Haifeng
（School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China）

In this paper,we propose a new method to generate bottle beam using phase-shifting apodizer.This apodizer is a seven-beltπphase-shifting zone plate.A bottle beam is obtained after a collimated light beam passes through the apodizer and then converged by an objective lens.The intensity distribution of optical field of the bottle beam is calculated based on scalar diffraction theory and the beam′s three dimensional leak is confirmed.An experiment is conducted to generate a bottle beam using spatial light modulator（SLM）and lens phase.The maximum radius of the dark spot within the bottle beam is 50.4μm,where the intensity is zero.The experimental results agree very well with the theoretical predictions.

phase-shifting apodizer；bottle beam；spatial light modulator（SLM）；lens phase

O 436

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.02.011

1005-5630（2016）02-0149-05

2015-07-21

973基金資助項目（2015CB352001）

朱厚飛（1991—）,男,碩士研究生,主要從事光束調制方面的研究。E-mail:18301967359@163.com

王海鳳（1971—）,男,教授,主要從事理論光學方面的研究。E-mail:wanghaifeng@usst.edu.cn