[发明专利]一种基于罗曼型迂回相位编码法产生螺旋马蒂厄光束的方法

说明书

本发明公开一种基于罗曼型迂回相位编码法产生螺旋马蒂厄光束的方法。该方法采用罗曼型迂回相位编码算法，计算生成产生螺旋马蒂厄光束的二元全息图，然后将二元全息图加工成非负实振幅掩模板。扩束准直后的激光束通过加载全息图的非负实振幅掩模板，可以同时进行振幅和相位调制，在光场中产生螺旋马蒂厄光束。该方法解决了实验产生复杂无衍射光束时振幅元件和相位元件很难精确对准的问题，可以在实验上精准地产生螺旋马蒂厄光束，光路结构简单。

技术领域

本发明涉及复杂无衍射涡旋光束的产生、调控及变换技术，是一种采用迂回相位编码生成螺旋马蒂厄(Mathieu)光束全息图，将螺旋马蒂厄光束全息图加工成掩模板实现对入射光束的振幅和相位的同时调制，从而精确产生各类具有椭圆涡旋结构的无衍射螺旋马蒂厄光束的方法。

背景技术

光与物质相互作用等科学实验需要形态稳定不变的光束，但光束在传输过程中的衍射效应导致光束展宽并发生形变。调控产生无衍射结构光束是克服衍射效应、构建传输不变光束的重要手段之一。随着激光调控技术的快速发展，产生了多种在远距离传输后中心光斑保持不变的无衍射光束，包括贝塞尔光束、马蒂厄光束、余弦光束、抛物线光束以及艾里光束等。在自由空间传输过程中，无衍射光束具有光学形态不变的特点。因而无衍射光束在激光打孔、激光精密准直、光学精密控制、光学微操控、光通信、等离子体导向、光弹产生、自聚焦光束的合成以及非线性光学等领域中有着广泛的应用。不同的应用领域，需要不同空间形态结构的无衍射光束。

1987年，利用Durnin装置，在自由空间产生的第一种具有实用价值的无衍射光束是贝塞尔(Bessel)光束，它能在很长的传输距离内保持强度分布不变[Phys.Rev.Lett.，1987，58(15)：1499]。贝塞尔光束是一种中心对称光束。贝塞尔光束包括零阶贝塞尔和高阶贝塞尔两类。零阶无衍射贝塞尔光束在垂直于传播方向的横截面上表现为一个中心光强最大的圆形亮斑，零阶贝塞尔不是涡旋光束；高阶贝塞尔光束中心光强为零，即一个圆形的中央暗核结构，是一种高涡旋光束。贝赛尔光束产生后，曾被应用到很多领域，比如生物光学及超分辨成像中。在实际的科学研究和生产应用中，人们需要不同光学形态和传输特性的无衍射光束，以满足不同的实验要求。

通过不同方法的光束调制，可以实现光斑分布及其光束拓扑特性的多样化。2000年，人们在椭圆坐标系下,理论证明了波动方程存在又一个无衍射特解——马蒂厄函数解[Opt.Lett.，2000，25(20)：1493]。这表明在椭圆柱坐标系下，满足马蒂厄函数分布的光束，也是一种无衍射光束。发现奇型和偶型Mathieu光束解通过适当的线性组合可以得到螺旋Mathieu光束(HelicalMathieubeams)。相比于只有一个光束自由度(径向自由度)的贝塞尔光束，有两个光束自由度(径向自由度和角向自由度)的无衍射螺旋马蒂厄光束，有更为丰富的光学形态。此外，不同于高阶贝塞尔光束是一种圆形涡旋，且其轨道角动量为整数，高阶螺旋Mathieu光束是一种光束形状为椭圆的涡旋，其轨道角动量为分数。螺旋马蒂厄光束比经典的贝塞尔光束有更多的优越性，螺旋马蒂厄光束方便、精确的产生，有望使其在微观粒子的操纵、量子光学、空间通信、非线性光学、光与物质的相互作用等研究领域更好的发挥作用。

但鉴于螺旋马蒂厄光束产生的复杂性，产生螺旋马蒂厄光束的方法也相对复杂，因为需要同时调制光束的振幅和相位，即复振幅调制。过去研究者大多都是采用将光束的振幅和相位分开调制的实验方法，但这种方法最大的难点在于，振幅元件与相位元件之间要严格对准，这在实际中需要消耗大量的人力物力调节，而且也很难调节到严格对准。由于振幅元件与相位元件很难严格对准，导致振幅元件与相位元件之间的微小错位，会严重影响产生螺旋马蒂厄光束的质量。只有严格消除对准误差，才能精确产生理想螺旋马蒂厄光束。

发明内容