振幅調控雙曲余弦高斯渦旋光束的聚焦特性

殷亮　張大偉　洪瑞金

摘要：研究了雙曲余弦高斯渦旋光束不同振幅參量對光場分布的影響。在相同光渦旋的情況下改變振幅的大小，在焦平面上場強分布變化明顯。渦旋光束的拓撲數對光束的聚焦特性存在明顯影響，不同的拓撲數會引起聚焦區域光強分布變化，另外也產生一些新的多焦點陣列和多重菱形聚焦圖案。

關鍵詞：雙曲余弦高斯光； 光渦旋； 焦點

中圖分類號： TP 11 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.008

Abstract：Optical intensity distributions in the focal region play an important role in many optical systems. In this paper， the focal patterns of hyperboliccoshGaussian （HCG） beam in focal plane were investigated by changing amplitude. It was found that the focal patterns can be altered very considerably by changing the charge number of the amplitude，and some novel focal patterns appear， including multiple rhombus and multiple focal spots arry.

Keywords： hyperboliccoshGaussian beam； optical vortex； focal spot

引 言

1997年，Casperson等[1]提出厄米雙曲正弦高斯光束是旁軸近似下波動方程的解，隨后，人們對這類光束的傳輸特性進行了廣泛的研究[25]。雙曲余弦高斯（HCG）光作為厄米正弦高斯光的特殊解，由于光場會隨著雙曲余弦部分相關參數改變而改變[6]，這引起了人們的廣泛關注。雙曲余弦高斯光束的傳播特性和聚焦特性已經成為了研究的對象[710]，包括在拋物型介質和等離子體中自聚焦。對位于湍流大氣中的高階雙曲余弦高斯光束的平均光強分布和傳播特性進行了數值論證后，人們提出一種新的方法，通過把不同參數的雙曲余弦高斯光束非相干疊加，來產生均勻的光照度分布。最近光渦旋也被引入到雙曲余弦高斯光束中，對相應的聚焦特性進行理論上的研究。

光渦旋有許多有趣的特性和很好的應用前景[11]。光渦旋可以用來構成靈活的光陷阱，操控微小顆粒，光渦旋陣列可以構成動態的微小光泵。自從全息技術可以形成光渦旋光束以來，人們已經提出了多種光渦旋構成方法[1213]。一種是利用模式轉換器，它可以將Hermite–Gaussian光束轉化成Laguerre–Gaussian光束，并且光學角動量可調，此方法需要精確調節激光諧振腔。另一種方法是利用相位片、厚度變化的光柵或者可編程液晶空間光調制器。由于光渦旋的特殊網格場分布，這種場分布在多重光陷阱和深光陷阱的應用上存在巨大的潛力，所以人們對光渦旋陣列激光產生很大的興趣。

2 數值結果和討論

本文主要通過式（4）計算來研究在焦平面上的強度分布。首先，取βx=16，βy=16，m=1，NA=0.3，Vx=kx，Vy=ky，其中k=2π/γ，γ為光束的波長，通過改變A的值來觀察光強分布的變化。圖1是振幅參量A從1到6的光強分布圖。

當A=1時，沿y軸呈現2個強度峰，周圍有4個強度條組成菱形，再往外是兩排弱強度條組成菱陣列。當繼續增加振幅參量到A=2時，4個強光斑沿徑向分布，條狀菱形陣列變成含有節點（等距光斑）菱形分布。當繼續增加振幅參量，最終整個聚焦圖案是一個多重菱形圖，其中4個光斑沿徑向分布。

圖2是NA=0.3，βx=16，βy=16，m=2，振幅參量A從1到6的光強分布圖。當A=1時，聚焦圖案成2*2的光斑陣列，同時在陣列的頂部和底部都出現2個較弱的光斑。當繼續增加振幅參量到A=2時，陣列的左邊和右邊也出現2個較弱的光斑，另外將要形成4*4光斑陣列，當我們繼續增加振幅參量，最終整個聚焦圖案是一個多焦點陣列，其中4個光斑沿徑向分布。

3 結 論

本文研究了含有光渦旋正弦波的雙曲余弦高斯光束的可調聚焦特性。通過不同振幅參量A的值來改變振幅對場強的分布產生顯著的影響。結果表明：在不同光學渦旋的情況下改變振幅的大小，在焦平面上場強分布變化明顯；渦旋光束的拓撲數對光束的聚焦特性存在明顯影響，不同的拓撲數會引起聚焦區域光強分布變化；另外也產生了一些新的多焦點陣列和多重菱形圖聚焦圖案。波前振幅調節改變聚焦光學系統焦點區域的光學性質，這一特性在光存儲、光學微操縱等領域中具有廣泛的應用價值。

參考文獻：

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（編輯：劉鐵英）