艾裡光束加速曲線的測量方法
2023-07-20 01:57:21
艾裡光束加速曲線的測量方法
【專利摘要】一種艾裡光束加速曲線測量方法，採用平行雷射束經過一個二元位相器件，該位相器件上的位相分布是產生待測艾裡光束的連續位相二元化後的結果，而後光束經過一個傅立葉透鏡，在焦平面後方同時產生兩束具有相對的加速度的艾裡光束，在光束傳播方向上的任意截面內，採用安裝在一維線性位移臺上的面陣光電傳感器測量兩路艾裡光束的主極大之間的間距，該間距除以2為單艾裡光束的加速位移，根據不同位置處得到單艾裡光束的加速位移和位移臺沿光軸方向的位移，實現準確測量艾裡光束加速曲線。本艾裡光束加速曲線測量方法具有易於操作、測量準確度高、數據處理簡單等多項特點。
【專利說明】艾裡光束加速曲線的測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學測量，尤其是一種艾裡光束加速曲線測量方法。
【背景技術】
[0002]艾裡光束是一種非常特殊的光束，在自由空間傳播時具有拐彎加速的特性，同時還具有無衍射和自愈的優良性質，已初步光學微操縱、超快雷射誘導形成彎曲等離子體通道以及真空電子加速等領域，同時在生物光學、原子光學和光譜學等領域也具有重要的應用前景，具有非常重大的科學意義和應用價值。而艾裡光束的加速曲線的測量，是應用艾裡光束的基礎，因而觀察並精確測量艾裡光束的加速度至關重要。
[0003]在先技術中，存在著艾裡光束加速度的測量方法，參見論文題目Observation ofAccelerating Airy Beams,發表在期刊《Physical Review Letters》的 2007 年第 99 卷上,作者為 G.A.Siviloglou, J.Broky, A.Dogariu,和 D.N.Christodoulides,
[0004]該方法是將平行雷射束照射在具有三次連續位相分布的空間光調製器上，而後光束經過傅立葉透鏡變換後，在焦平面後方生成單一的艾裡光束，採用顯微物鏡和面陣電荷耦合器件組成的顯微照相機對艾裡光束在光軸的不同截面進行拍照，之後通過圖像分析得到艾裡光束的主極大與光軸之間的距離隨著傳播距離的變化規律，進而得到艾裡光束的加速度。此方法具有一定的有優點，但是存在本質不足:
[0005]I)艾裡光束的產生方法不便利，存在一定工藝難度，採用空間光調製器生成三次連續位相分布來產生艾裡光束，在實際操作中生成的連續位相難以與設計值精確相符，導致艾裡光束髮生畸變。
[0006]2)實際操作也不便利，需要測量艾裡光束與光軸之間的距離偏差，然而，真實光軸的空間位置是難以準確確定的，它與傅立葉透鏡、空間光調製器的安裝位置和角度都有密切的關係，艾裡光束的加速度又非常小，一般在I米的範圍內僅加速了幾毫米，所以通過此方法準確測量艾裡光束的加速度非常困難，限制了這種方法的應用範圍。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種艾裡光束加速度的測量方法。該測量方法具有易於操作、測量準確度高、數據處理簡單等多項特點。
[0008]本發明的基本構思是:採用平行雷射束首先經過一個位相器件，該位相器件上的位相分布是產生待測艾裡光束的連續位相二元化後的結果，而後光束經過一個傅立葉透鏡後，會在焦平面後方同時產生兩束具有相對的加速度的艾裡光束，通過在光束傳播方向上的任意截面內測量兩路艾裡光束的主極大之間的間距，獲得該間距隨光束傳播距離的變化關係。
[0009]本發明的技術解決方案如下:
[0010]一種艾裡光束加速曲線的測量方法，其特點在於，該方法包括以下步驟:
[0011]①沿光束前進方向設置沿光束前進方向移動的位移臺，面陣光電傳感器固定在所述的位移臺上，沿光束前進方向同光軸地依次設置二元位相器件、傅立葉透鏡和所述的面陣光電傳感器，所述的二元位相器件位於所述的傅立葉透鏡的前焦面，所述的二元位相器件的法線與所述的傅立葉透鏡的光軸與重合，所述的面陣光電傳感器的傳感陣列與所述的光軸垂直，所述的二元位相器件是產生一對加速方向相反的艾裡光束的器件；
[0012]②一平行光垂直照射在所述的二元位相器件上，以傅立葉透鏡的後焦點為參考點，驅動所述的位移臺，帶動所述的面陣光電傳感器沿光軸方向運動，記錄所述的位移臺的位置讀數，即面陣光電傳感器的位置，同時所述的面陣光電傳感器拍攝下該截面處的雙艾裡光束的光場強度分布；
[0013]③根據拍攝所得圖像和面陣光電傳感器像素尺寸，計算得到實際雙艾裡光束主極大之間的間距，除以2即為單艾裡光束的加速位移，根據不同位置處的單艾裡光束的加速位移和位移臺沿光軸方向的相應的位移，繪製艾裡光束的加速曲線。
[0014]所述的二元位相器件是液晶型空間光調製器或非周期性固體微納結構器件。
[0015]所述的面陣光電傳感器是面陣電荷耦合器件或面陣互補金屬氧化物半導體器件。
[0016]所述的位移臺是帶光柵尺或刻度尺的手動或電機驅動的一維直線位移臺。
[0017]所述的二元位相器件上的位相分布是產生待測艾裡光束的連續位相二元化後的結果，連續位相二元化的具體方法是:若連續相位處於區間[2ηπ，(2η+1) π )中，則二元化位相取值為n，若連續位相處於區間((2η_1) π,2ηπ)中，則二元化位相取值為-π ；
[0018]本發明中二元位相器件和面陣光電傳感器的使用、光強分布圖像處理技術均為成熟技術。本發明的發明點在於採用二元位相器件代替連續位相器件，實現了一對加速方向相反的艾裡光束，且它們分別與原連續位相器件產生的單艾裡光束具有相同或與光軸相對稱的加速曲線，給出一種測量方法簡單、便於實現、測量準確度高、數據處理簡單的艾裡光束加速曲線測量方法。
[0019]本發明的有益效果:
[0020]1、本發明提供的方法本質上不需要具有連續位相分布的器件來產生艾裡光束，只需要二元位相器件即可實現艾裡光束的觀測，而二元位相器件無論是在製作工藝的複雜性，還是在相位精度的準確性上都較連續位相器件具有更大的優勢；
[0021]2、本發明用二元位相器件產生了具有相對加速的雙艾裡光束，使得測量艾裡光束相對於空間位置難以確定的光軸的加速位移簡化為與光軸無關的雙艾裡光束之間的間距的測量，這一點從本質上決定了該測量方法簡單靈活，結構定位要求低，系統可靠性和穩定性高，可操作性強。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明測量裝置結構和實施方法示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0024]先請參閱圖1，圖1為本發明測量裝置結構和實施方法示意圖。本發明艾裡光束加速曲線測量方法，包括以下步驟:
[0025]①沿光束前進方向設置沿光束前進方向移動的位移臺4，面陣光電傳感器3固定在所述的位移臺4上，沿光束前進方向同光軸地依次設置二元位相器件1、傅立葉透鏡2和所述的面陣光電傳感器3，所述的二元位相器件I位於所述的傅立葉透鏡2的前焦面Π，所述的二元位相器件的法線與所述的傅立葉透鏡2的光軸與重合，所述的面陣光電傳感器3的傳感陣列與所述的光軸垂直，所述的二元位相器件I是產生一對加速方向相反的艾裡光束的器件；
[0026]②一平行光垂直照射在所述的二元位相器件I上，以傅立葉透鏡2的後焦點f2為參考點，驅動所述的位移臺，帶動所述的面陣光電傳感器3沿光軸方向運動，記錄所述的位移臺的位置讀數，即面陣光電傳感器3的位置，同時所述的面陣光電傳感器3拍攝下該截面處的雙艾裡光束的光場強度分布；
[0027]③根據拍攝所得圖像和面陣光電傳感器像素尺寸，計算得到實際雙艾裡光束主極大之間的間距，除以2即為單艾裡光束的加速位移，根據不同位置處的單艾裡光束的加速位移和位移臺沿光軸方向的位移，繪製艾裡光束的加速曲線。
[0028]所述的二元位相器件是液晶型空間光調製器或非周期性固體微納結構器件。
[0029]所述的面陣光電傳感器是面陣電荷耦合器件或面陣互補金屬氧化物半導體器件。
[0030]所述的位移臺是帶光柵尺或刻度尺的手動或電機驅動的一維直線位移臺。
[0031]用二元位相器件I取代具有連續三次位相分布的器件，該二元位相器件I上的位相分布是產生待測艾裡光束的連續位相二元化後的結果，連續位相二元化的具體方法是:若連續相位處於區間[2ηπ，(2η+1) π)中，則二元化位相取值為I若連續位相處於區間((2η_1) π，2η π )中，則二元化位相取值為-π。本實施例中二元位相器件I採用德國Holoeye公司的基於液晶的相位型空間光調製器，其位相分布由前述的二元化方法決定，具體計算過程由計算機完成。
[0032]將傅立葉透鏡2置於二元位相器件I後方，且二者之間的距離為透鏡的焦距，即二元位相器件I位於傅立葉透鏡的前焦點Π處，傅立葉透鏡2的光軸與二元位相器件的法線重合。本實施例中，傅立葉透鏡2由兩個透鏡組成的雙膠合透鏡組，直徑51.8毫米，焦距為300暈米。
[0033]面陣光電傳感器3置於傅立葉透鏡2的不同於二元位相器件I的另一側的焦點f2附近，面陣光電傳感器3被固定在一個可以沿透鏡光軸方向移動的有讀數的位移臺4上，面陣光電傳感器3中起到光電轉化作用的傳感陣列與傅立葉透鏡2的光軸相垂直，並且傳感陣列與傅立葉透鏡2的光軸相交；其中面陣傳感器3採用1280x1280解析度，像素大小為8μπι，位移臺為帶光柵尺的一維直線電動步進平臺，總行程為500毫米，光柵尺解析度為I微米。
[0034]以傅立葉透鏡2的焦點f2為零位移參考點，計算機控制移動位移臺4，帶動面陣光電傳感器3沿光軸方向運動，在不同位置記錄下位移臺4的光柵尺讀數，同時面陣光電傳感器3拍攝下該截面處的雙艾裡光束的光場強度分布。
[0035]根據拍攝所得圖像和面陣光電傳感器像素尺寸，計算得到實際雙艾裡光束主極大之間的間距，除以2即為單艾裡光束的加速位移，根據不同位置處得到單艾裡光束的加速位移和位移臺沿光軸方向的位移，隨即得到艾裡光束的加速曲線。
【權利要求】
1.一種艾裡光束加速曲線的測量方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟: ①沿光束前進方向設置沿光束前進方向移動的位移臺(4)，面陣光電傳感器(3)固定在所述的位移臺(4)上，沿光束前進方向同光軸地依次設置二元位相器件(I )、傅立葉透鏡(2)和所述的面陣光電傳感器(3)，所述的二元位相器件(I)位於所述的傅立葉透鏡(2)的前焦面(Π)，所述的二元位相器件的法線與所述的傅立葉透鏡(2)的光軸與重合，所述的面陣光電傳感器(3)的傳感陣列與所述的光軸垂直，所述的二元位相器件(I)是產生一對加速方向相反的艾裡光束的器件； ②一平行光垂直照射在所述的二元位相器件(I)上，以傅立葉透鏡(2)的後焦點(f2)為參考點，驅動所述的位移臺，帶動所述的面陣光電傳感器(3)沿光軸方向運動，記錄所述的位移臺的位置讀數，即面陣光電傳感器(3)的位置，同時所述的面陣光電傳感器(3)拍攝下該截面處的雙艾裡光束的光場強度分布； ③根據拍攝所得圖像和面陣光電傳感器像素尺寸，計算得到實際雙艾裡光束主極大之間的間距，除以2即為單艾裡光束的加速位移，根據不同位置處的單艾裡光束的加速位移和位移臺沿光軸方向的位移，繪製艾裡光束的加速曲線。
2.根據權利要求1所述的艾裡光束加速曲線測量方法，其特徵在於:所述的二元位相器件是液晶型空間光調製器或非周期性固體微納結構器件。
3.根據權利要求1所述的艾裡光束加速曲線測量方法，其特徵在於:所述的面陣光電傳感器是面陣電荷耦合器件或面陣互補金屬氧化物半導體器件。
4.根據權利要求1所述的艾裡光束加速曲線測量方法，其特徵在於:所述的位移臺是帶光柵尺或刻度尺的手動或電機驅動的一維直線位移臺。
【文檔編號】G01J1/42GK103743480SQ201410002629
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月3日 優先權日:2014年1月3日
【發明者】範永濤, 魏勁松, 王睿 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所