[发明专利]旋转涡旋光束的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转涡旋光束的形成方法，属于光学领域。

背景技术

激光由于其优秀的方向性和高亮度性，在激光通信、激光定位、环境遥感、激光跟踪以及激光成像等领域得到广泛地应用。但是激光在大气层中传输过程中，不可避免地会受到大气湍流的影响，这是由于大气环境具有不稳定性，其温度、湿度、密度等随时间不断变化，另外，大气中的水、气溶胶(雾、烟、霾、尘等)也随之处于不停运动和变化中，大气可看作是一种不均匀随机介质。激光在大气传输过程中不断引入不均匀的相位调制，当该调制尺度远大于光束直径时，激光经大气传输后将发生“折射”效应，使得光束的传播方向不停变化，即发生光束漂移现象，会大幅度地降低光束的指向性；当该调制尺度接近或小于光束直径时，激光经大气传输后将发生“衍射”效应，即光束扩展、闪烁、相位起伏等现象，直接造成光束的能量集中度和相干性下降。另外，随着激光功率的不断增大，激光在大气传输中会引起受激拉曼散射等一系列非线性效应。以上效应直接限制了激光在大气中的应用。现今为止，人们主要还是基于自适应光学原理，利用自适应光学系统实现相位共轭补偿的方式去有效“补偿”光束相位的不均匀分布，进而提高光束的指向性和能量集中度，但该系统结构复杂，运行成本较高。

光束“旋转”是一种特殊的光束调控方法，该方法可以有效补偿光束沿切线方向上介质的不均匀性，在现有技术中，传统的方式为采用机械或光电调控实现光束的旋转，但是不管是“机械”调控旋转还是“电-光”调控旋转，其转速往往不够，无法满足不均匀调制快速变化的补偿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转涡旋光束的形成方法，其利用“光-光”调制，使光束发生快速旋转，可以有效补偿光束沿切线方向上介质折射率的不均匀性，提高光束的指向性和能量集中度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种旋转涡旋光束的形成方法，所述旋转涡旋光束的形成方法包括如下步骤：提供可发射形成光束的光源，所述光束的数量为至少两束，每束光束之间存在波长间隔，至少两束所述光束中一束为涡旋光束，其他光束为涡旋光束、平面波、高速光束中的一种或多种，其中，至少两束涡旋光束的拓扑荷数的螺旋相位分布相反；所述光源发射至少两束所述光束并使之形成干涉以形成旋转涡旋光束。

进一步地，至少两束所述光束同源。

进一步地，至少两束所述光束的光源部分相同。

进一步地，至少两束所述光束的光源不相同。

进一步地，所述旋转涡旋光束的旋转周期与所述光源所发出的涡旋光束的波长间隔呈反比，且与所述涡旋光束的拓扑荷数呈正比。

进一步地，所述光束的数量为两束，所述旋转涡旋光束的旋转周期的计算公式如下：

其中，c为光速，T为光束旋转周期，λ₁和λ₂分别为两束光束的中心波长，l为拓扑荷数。

进一步地，所述涡旋光束的中心呈空心结构，所述空心结构的面积随所述光源所发出的光束的拓扑荷数的增大而增大。

进一步地，所述旋转涡旋光束的旋转周期可在纳秒及皮秒量级内调整。

本发明的有益效果在于：本发明的旋转涡旋光束的形成方法采用使至少两束存在不同波长间隔的光束形成干涉，其中至少一束光束为涡旋光束(若至少两束涡旋光束，则至少两束涡旋光束的拓扑荷数的螺旋相位分布相反)，通过利用“光-光”调制，使光束发生快速旋转，可以有效补偿光束沿切线方向上介质折射率的不均匀性，提高光束的指向性和能量集中度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明所采用的涡旋光束的强度分布图；

图2为拓扑荷数分别为1、2、3、4时对应的涡旋光束相位涡旋分布图；

图3a为形成旋转涡旋光束的两束相干光束且拓扑荷数l₁＝-l₂＝1的旋转过程示意图；

图3b为形成旋转涡旋光束的两束相干光束且拓扑荷数l₁＝-l₂＝2的旋转过程示意图；

图4为旋转涡旋光束的旋转周期与波长间隔和拓扑荷数的变化关系图；

图5为不同拓扑荷数相干所形成的旋转涡旋光的强度分布效果图；

图6为光束经大气湍流传输后以及分别经“机械”和“光-光”调制后的光束指向性统计分布图。

具体实施方式