[发明专利]一种Lommel光束的产生方法及装置

说明书

本发明公开一种Lommel光束的产生方法，包括以下步骤：步骤一、采用二元计算全息算法将Lommel光束角谱信息转化为二元实振幅非负计算全息图；步骤二、将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；精确产生无衍射Lommel光束;本发明还公开了Lommel光束的产生装置；本发明本发明简便、精确的制得Lommel光束。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种Lommel光束的产生方法及装置。

背景技术

光束在传输过程中的衍射效应导致光束展宽并发生不可避免的光束形变，但很多光与物质相互作用等科学实验需要形态稳定不变的光束。通过调制元件产生无衍射光束是克服衍射效应、构建传输不变光束的重要手段。在不同的科学研究领域，需要不同空间形态结构的无衍射光束。近些年也产生了多种在长距离传输后中心光斑保持不变的无衍射光束，包括零阶Bessel光束、高阶Bessel光束（涡旋光束）、Lommel光束、Cos光束、Parabolic光束以及Airy光束等。无衍射光束的产生，为激光精密准直、激光打孔、光学微操控、光学精密控制、光通信、光弹产生、等离子体导向、自聚焦光束的合成等领域中有着广泛的应用。

2015年，研究者发现波动方程的又一个无衍射特解——Lommel函数解 [Opt.Commun.，338(2015)：117-122]。这表明满足Lommel函数分布的光束，也是一种无衍射光束。相比于只有一个光束自由度（阶次）的贝塞尔光束，有两个光束自由度（阶次和非对称参数）的无衍射Lommel光束，有更为丰富的光学形态。

Lommel光束作为一种形态更为丰富的无衍射光束，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。

为了产生具有复杂结构的无衍射光束，需要对光波进行复振幅调制，即同时调制光波的振幅和相位。但目前的商用光学调制元件只能调制光波的振幅或相位。基于超像素法及像传递法，Lommel光束也被第一次近似产生 [App. Opt., 2015, 54(25): 7553-7558]。这种方法由于引入了像传递系统，因此产生光束的系统比较复杂，光束传播路径长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Lommel光束的产生方法，本发明简便、精确的制得Lommel光束。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种Lommel光束的产生方法，包括以下步骤：

步骤一、采用二元计算全息算法将Lommel光束角谱信息转化为二元实振幅非负计算全息图；

步骤二、将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；

精确产生无衍射Lommel光束。

优选所述步骤一中角向Lommel函数生成任一类型需要产生的Lommel光束的振幅矩阵。

优选步骤一中，锥镜相位和角谱Lommel函数的相位叠加形成一个组合相位，利用二元计算全息法对产生任一类型Lommel光束的振幅和组合相位信息进行计算，得到对应的产生Lommel光束的二元Lommel光束全息图。

优选根据锥镜相位调制函数得到相位矩阵，函数公式如下：

其中R是轴棱锥半径的孔径，n是轴棱锥的折射率，是轴棱锥的底角。

优选二元计算全息算法通过建立六个零矩阵，抽样处理振幅矩阵和相位矩阵；根据二元计算全息算法，振幅矩阵信息确定每个抽样单元中矩形通光孔径的高度，相位矩阵确定矩形通光孔径的中心距离抽样单元中心之间的距离，从而确定每个矩形通光孔径在抽样单元的位置；

将每个矩形通光孔径的四坐标分别储存在四个零矩阵中，其余两个零矩阵用于储存经过“相位溢出校正”后的两个横坐标；