[发明专利]一种大尺度调控艾里光束传输轨迹的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光束的传输轨迹控制技术，公开了一种大尺度调控艾里光束传输轨迹的方法。基于产生艾里光束的立方相位傅立叶变换的定义，在相位掩膜板中心偏离傅立叶变换透镜光轴的情况下，推导出了艾里光束的峰值轨迹。理论推导结果表明，傅里叶变换透镜光轴和相位板中心的错位越大，艾里加速光束的传输轨迹可控制范围越大。

本发明利用全息打印技术制作大尺寸的相位掩膜板，可以较大范围调控艾里光束传输轨迹。灵活可控的传输轨迹，为艾里光束更好地应用于科学研究领域，提供了更具实用性的加速光源。

背景技术

艾里光束是一种新型无衍射光束。艾里光束的新颖特性在于，它在传播过程中能够横向加速，类似于弹丸在重力作用下的加速抛物弹道轨迹。沿弯曲轨迹传输的加速特性，可应用于粒子微观操控等各种科学领域。不同的科学实验需要艾里光束沿不同的曲线轨迹传输，近年来，人们采取各种办法，实现艾里光束的传输轨迹控制。

Zhang P等用金属薄膜耦合光栅产生艾里等离子激元实现光束运动轨迹控制[Phys.Rev.Lett.,2007,99(21):213901]，Ye Z等利用改变光诱导晶体梯度折射率梯度来改变艾里光束的加速方向[Opt.Lett.,2011,36(16):3230]，Liu W等通过楔形的金属-电介质-金属结构产生线性光势对艾里光束等离子激元进行轨迹操控[Opt.Lett.,2011,36(7):1164]。Efremidis N K研究了不同的折射率梯度中艾里光速传输的特性[Opt.Lett.,2011,36(15):3006]，Dolev I等发现通过非线性光子晶体可产生艾里光束，改变同一非线性光子晶体的温度能改变二次谐波产生和差频产生的相位匹配条件，从而改变输出光束的加速方向[Opt.Lett.,2010,35(10):1581]。

G.A.Siviloglou和Chen Z G等利用傅立叶变换透镜、入射光束和相位调制元件之间中心偏离的办法，给艾里光束引入初始发射角，来实现对艾里光束传输轨迹的控制[Opt.Lett.,2010,35(13):2260；Opt.Lett.,2008,33(3):207]。该方法简单而有效，但由于传统的相位调制元件——空间光调制器尺寸有限，引入的偏移量较小。这就大大限制了对艾里光束传输轨迹的调控范围。

发明内容

利用傅立叶变换透镜和相位调制元件之间中心偏离的办法，来实现艾里光束传输的轨迹控制，是一种简单有效的方法，但传统的相位调制元件——空间光调制器(SLM)有限的尺寸，限制了艾里光束传输轨迹的控制范围。

本发明提供了一种大尺度调控艾里光束传输轨迹的方法。主要是利用全息打印的技术，用全息缩微输出系统来制作大尺寸立方相位掩膜板，通过相位掩膜板偏离光轴中心的方法，偏离距离越大，艾里光束的初始发射角变换幅度越大。用全息缩微输出系统来制作的大尺寸立方相位掩膜板，为实现艾里光束传输轨迹的大幅度调控，奠定了基础。

本发明技术的理论基础如下：

经典的产生艾里光束的方法是用平行光入射到立方相位掩模板，再经傅立叶变换透镜变换后得到。以透镜的光轴为z轴，立方相位掩模板的傅立叶变换过程，数学上可写为：

其中

u(ξ,η)＝exp[ikφ(ξ,η)].(2)

(1)式中，(ξ,η)和(x₀,y₀)为截面坐标，k＝2π/λ为波数。z为以傅里叶变换透镜后焦面为起点的纵向传输坐标。f为傅里叶变换透镜的焦距。

(2)式为平行光入射到相位掩模板后的光束振幅分布。

如果相位掩膜板中心偏离傅立叶变换透镜光轴，即相位掩模板中心位于(ξ₀,η₀)，则有

φ(ξ,η)＝β[(ξ-ξ₀)³/3+(η-η₀)³/3].(3)

(3)式为产生艾里光束的相位分布，其中β为控制常数。

经典产生艾里光束的方法，均要求相位掩模板中心与光轴重合，即相位掩模板中心位于(0,0)处。

(3)式带入(2)式后再带入(1)式，积分后可得

根据艾里函数的定义，可知|Ai(-1.018)|为艾里函数最大值，由式(4)，可求得艾里光束的峰值轨迹为