[发明专利]一种利用调制多高斯光束叠加产生环形非平顶光束的方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字全息术和光束的叠加问题，从而实现产生一种新的环形光束。

背景技术

光束聚焦问题一直是一个研究热点。一个高度聚焦，半高全宽度很小的光斑在很多激光应用问题中是具有很大优势的。例如，在激光加工技术中，聚焦越好，光斑越小，加工精度就越高；在光学数据存储中，激光聚焦越小，则数据存储密度越大；在光镊技术应用中，同样功率的激光，焦斑越小，捕获力则越大，操控微粒尺寸可以越小。

已经证明，光束在聚焦时，光强的径向分布，激光的偏振状态，聚焦物镜的数值孔径大小决定了光斑的大小[Appl.Opt.，Vol.43，No.22，4322，2004]。研究表明：在径向偏振的激光入射时，数值孔径越大，光斑越小。而在使用环形孔径限制入射激光时，获得的光斑尺寸可以进一步缩小[Phys.Rev.Lett.Vol.91，No.23，233901，2003]。但是使用环形孔径限制入射激光束的同时，也会导致很多实际应用的不方便，而且光能的利用率也受到了限制。为了克服环形孔径的缺陷，有人设计了二元纯相位环形衍射光学元件。当径向偏振激光入射时，理论分析显示：光斑半高全宽度可以小于半个波长[Nature Photonics，Vol.2，501-505，2008]。最近，报道了一种由多个高斯光束径向叠加构成的环形平顶光束[Chin.Opt.Lett.Vol.9，No.1，11402-11405，2010]。环形光束的优点是不需要环形孔径就可以实现环形照明，而且光能利用率得到了提高。利用径向偏振的环形光束，不需要环形孔径就可以获得高度聚焦的光斑。该光束的特点是，在环形宽度内，光强分布是均匀的，光束能量没有最大限度地集中到孔径的边缘部分，因而，物镜聚焦后光斑尺寸还有待于进一步提高。

发明内容

本发明为解决这一问题，提出了一种由径向调制的高斯光束叠加产生径向光强非均匀分布的环形光束。其光束的数学模型为：

E(r)=(rr0)mΣn=-NNexp(-(r-rc-nw0w0)2)---(1)]]>

其中r为径向坐标，w₀为单个非调制高斯光束的腰宽，m为整数，m的大小决定了径向光强调制的程度。常数r_c决定了整个环形光束的径向位置，r₀为接近聚焦物镜孔径最大半径的一个常数，通常可以选择比最大半径小一个高斯光束腰宽的数值，即选择r₀＝r_max-w₀。N的大小，依赖于单个非调制高斯光束的腰宽w₀。通常w₀越小，N就可以越大。当2N+1未被调制的腰宽为w₀，径向相距刚好也为腰宽w₀的高斯光束(如公式(1)中求和号后面部分)，叠加产生未调制的环形光束的宽度为W时，w₀与N的关系由下列等式决定：