[发明专利]一种自聚焦环形艾里光束阵列的优化设计方法及系统

说明书

本发明涉及一种自聚焦环形艾里光束阵列的优化设计方法及系统，属于光束阵列设计领域，该方法采用最大光强表征环形艾里光束阵列的自聚焦能力，根据环形艾里光束阵列的自聚焦能力与艾里光束数目的关联关系，确定环形艾里光束阵列的自聚焦能力达到饱和时所对应的艾里光束数目为最优值，当艾里光束数目取最优值时，环形艾里光束阵列在给定的光束参数条件下具有最大的自聚焦能力。因此，本发明克服了艾里光束数目的盲目取值，做到艾里光束数目的科学取值，保证环形艾里光束阵列具有最大的自聚焦能力，同时避免了盲目增加光束数目。

技术领域

本发明涉及光束阵列设计领域，特别是涉及一种自聚焦环形艾里光束阵列的优化设计方法及系统。

背景技术

光学研究人员在理论研究径向对称艾里光束的特性过程中首次发现了突然自聚焦现象。突然自聚焦表示光束不需要借助光学元器件就能实现聚焦，在到达焦点前保持较低的光强，但在到达焦点的瞬间光强突然提高数十倍甚至几百倍，在经过焦点后光强又快速下降。一年后，光学研究人员在实验上成功观察到了突然自聚焦现象。通过恰当选择两个切趾参数，改进型圆形艾里光束的突然自聚焦能力将大大提高。部分相干圆形艾里光束的聚焦强度随着空间相干长度的减小而减小。在相同条件下，径向偏振对称艾里光束的聚焦强度几乎是对称艾里光束的三倍。虽然艾里光束的突然自聚焦效应有着十分广泛的应用，但单个艾里光束有限的光强使其应用效能受到限制。因此，拥有自聚焦能力的艾里光束阵列应运而生。环形艾里光束阵列具有突然自聚焦和三角形自聚焦两种特性。径向艾里光束阵列即使在大气湍流中传输时仍能保持自聚焦能力。艾里光束阵列在具有强克尔效应的自聚焦介质中传输时甚至可以自聚焦两次。艾里光束阵列可用于实现高质量的图像传输、稳定的光学捕获、食品安全检测等。在上述艾里光束阵列中，组成阵列的光束数目有时高达128。目前，若光束数目越大，艾里光束阵列的自聚焦性能是否越好，以及若通过增加光束数目，上述艾里光束阵列的自聚焦能力是否能无限提高，这些问题都还未知。因此，环形艾里光束阵列的自聚焦能力与光束数目的关联关系，成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种自聚焦环形艾里光束阵列的优化设计方法及系统，优化选取光束数目，确保环形艾里光束阵列的自聚焦能力达到最大。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种自聚焦环形艾里光束阵列的优化设计方法，所述方法包括：

确定环形艾里光束阵列在初始平面上的电场分布表达式；所述环形艾里光束阵列由艾里光束在初始平面上绕旋转轴旋转多次后所形成；

根据所述电场分布表达式，确定环形艾里光束阵列在自由空间传输时的电场解析表达式；

根据所述电场解析表达式，确定环形艾里光束阵列在光束传输方向轴上点电场的简化表达式；

利用所述轴上点电场的简化表达式，在给定光束参数条件下计算不同艾里光束数目对应的环形艾里光束阵列在自由空间传输时焦平面上的最大光强，并绘制最大光强随艾里光束数目的变化关系曲线；所述最大光强用于表征环形艾里光束阵列的自聚焦能力；

在所述变化关系曲线上选取最大光强首次出现最大值时的艾里光束数目，并确定为在给定光束参数条件下环形艾里光束阵列自聚焦能力饱和时的最优艾里光束数目。

可选的，所述电场分布表达式为