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艾里光束加速曲線的測(cè)量方法
【專利摘要】一種艾里光束加速曲線測(cè)量方法，采用平行激光束經(jīng)過一個(gè)二元位相器件，該位相器件上的位相分布是產(chǎn)生待測(cè)艾里光束的連續(xù)位相二元化后的結(jié)果，而后光束經(jīng)過一個(gè)傅立葉透鏡，在焦平面后方同時(shí)產(chǎn)生兩束具有相對(duì)的加速度的艾里光束，在光束傳播方向上的任意截面內(nèi)，采用安裝在一維線性位移臺(tái)上的面陣光電傳感器測(cè)量?jī)陕钒锕馐闹鳂O大之間的間距，該間距除以2為單艾里光束的加速位移，根據(jù)不同位置處得到單艾里光束的加速位移和位移臺(tái)沿光軸方向的位移，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量艾里光束加速曲線。本艾里光束加速曲線測(cè)量方法具有易于操作、測(cè)量準(zhǔn)確度高、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等多項(xiàng)特點(diǎn)。
【專利說明】艾里光束加速曲線的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量，尤其是一種艾里光束加速曲線測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]艾里光束是一種非常特殊的光束，在自由空間傳播時(shí)具有拐彎加速的特性，同時(shí)還具有無衍射和自愈的優(yōu)良性質(zhì)，已初步光學(xué)微操縱、超快激光誘導(dǎo)形成彎曲等離子體通道以及真空電子加速等領(lǐng)域，同時(shí)在生物光學(xué)、原子光學(xué)和光譜學(xué)等領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用前景，具有非常重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。而艾里光束的加速曲線的測(cè)量，是應(yīng)用艾里光束的基礎(chǔ)，因而觀察并精確測(cè)量艾里光束的加速度至關(guān)重要。
[0003]在先技術(shù)中，存在著艾里光束加速度的測(cè)量方法，參見論文題目Observation ofAccelerating Airy Beams,發(fā)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]該方法是將平行激光束照射在具有三次連續(xù)位相分布的空間光調(diào)制器上，而后光束經(jīng)過傅立葉透鏡變換后，在焦平面后方生成單一的艾里光束，采用顯微物鏡和面陣電荷耦合器件組成的顯微照相機(jī)對(duì)艾里光束在光軸的不同截面進(jìn)行拍照，之后通過圖像分析得到艾里光束的主極大與光軸之間的距離隨著傳播距離的變化規(guī)律，進(jìn)而得到艾里光束的加速度。此方法具有一定的有優(yōu)點(diǎn)，但是存在本質(zhì)不足:
[0005]I)艾里光束的產(chǎn)生方法不便利，存在一定工藝難度，采用空間光調(diào)制器生成三次連續(xù)位相分布來產(chǎn)生艾里光束，在實(shí)際操作中生成的連續(xù)位相難以與設(shè)計(jì)值精確相符，導(dǎo)致艾里光束發(fā)生畸變。
[0006]2)實(shí)際操作也不便利，需要測(cè)量艾里光束與光軸之間的距離偏差，然而，真實(shí)光軸的空間位置是難以準(zhǔn)確確定的，它與傅立葉透鏡、空間光調(diào)制器的安裝位置和角度都有密切的關(guān)系，艾里光束的加速度又非常小，一般在I米的范圍內(nèi)僅加速了幾毫米，所以通過此方法準(zhǔn)確測(cè)量艾里光束的加速度非常困難，限制了這種方法的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種艾里光束加速度的測(cè)量方法。該測(cè)量方法具有易于操作、測(cè)量準(zhǔn)確度高、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等多項(xiàng)特點(diǎn)。
[0008]本發(fā)明的基本構(gòu)思是:采用平行激光束首先經(jīng)過一個(gè)位相器件，該位相器件上的位相分布是產(chǎn)生待測(cè)艾里光束的連續(xù)位相二元化后的結(jié)果，而后光束經(jīng)過一個(gè)傅立葉透鏡后，會(huì)在焦平面后方同時(shí)產(chǎn)生兩束具有相對(duì)的加速度的艾里光束，通過在光束傳播方向上的任意截面內(nèi)測(cè)量?jī)陕钒锕馐闹鳂O大之間的間距，獲得該間距隨光束傳播距離的變化關(guān)系。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0010]一種艾里光束加速曲線的測(cè)量方法，其特點(diǎn)在于，該方法包括以下步驟:
[0011]①沿光束前進(jìn)方向設(shè)置沿光束前進(jìn)方向移動(dòng)的位移臺(tái)，面陣光電傳感器固定在所述的位移臺(tái)上，沿光束前進(jìn)方向同光軸地依次設(shè)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于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(chǎn)生一對(duì)加速方向相反的艾里光束的器件；
[0012]②一平行光垂直照射在所述的二元位相器件上，以傅立葉透鏡的后焦點(diǎn)為參考點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)所述的位移臺(tái)，帶動(dòng)所述的面陣光電傳感器沿光軸方向運(yùn)動(dòng)，記錄所述的位移臺(tái)的位置讀數(shù)，即面陣光電傳感器的位置，同時(shí)所述的面陣光電傳感器拍攝下該截面處的雙艾里光束的光場(chǎng)強(qiáng)度分布；
[0013]③根據(jù)拍攝所得圖像和面陣光電傳感器像素尺寸，計(jì)算得到實(shí)際雙艾里光束主極大之間的間距，除以2即為單艾里光束的加速位移，根據(jù)不同位置處的單艾里光束的加速位移和位移臺(tái)沿光軸方向的相應(yīng)的位移，繪制艾里光束的加速曲線。
[0014]所述的二元位相器件是液晶型空間光調(diào)制器或非周期性固體微納結(jié)構(gòu)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件。
[0016]所述的位移臺(tái)是帶光柵尺或刻度尺的手動(dòng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一維直線位移臺(tái)。
[0017]所述的二元位相器件上的位相分布是產(chǎn)生待測(cè)艾里光束的連續(xù)位相二元化后的結(jié)果，連續(xù)位相二元化的具體方法是:若連續(xù)相位處于區(qū)間[2ηπ，(2η+1) π )中，則二元化位相取值為n，若連續(xù)位相處于區(qū)間((2η_1) π,2ηπ)中，則二元化位相取值為-π ；
[0018]本發(fā)明中二元位相器件和面陣光電傳感器的使用、光強(qiáng)分布圖像處理技術(shù)均為成熟技術(shù)。本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)在于采用二元位相器件代替連續(xù)位相器件，實(shí)現(xiàn)了一對(duì)加速方向相反的艾里光束，且它們分別與原連續(xù)位相器件產(chǎn)生的單艾里光束具有相同或與光軸相對(duì)稱的加速曲線，給出一種測(cè)量方法簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)、測(cè)量準(zhǔn)確度高、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單的艾里光束加速曲線測(cè)量方法。
[0019]本發(fā)明的有益效果:
[0020]1、本發(fā)明提供的方法本質(zhì)上不需要具有連續(xù)位相分布的器件來產(chǎn)生艾里光束，只需要二元位相器件即可實(shí)現(xiàn)艾里光束的觀測(cè)，而二元位相器件無論是在制作工藝的復(fù)雜性，還是在相位精度的準(zhǔn)確性上都較連續(xù)位相器件具有更大的優(yōu)勢(shì)；
[0021]2、本發(fā)明用二元位相器件產(chǎn)生了具有相對(duì)加速的雙艾里光束，使得測(cè)量艾里光束相對(duì)于空間位置難以確定的光軸的加速位移簡(jiǎn)化為與光軸無關(guān)的雙艾里光束之間的間距的測(cè)量，這一點(diǎn)從本質(zhì)上決定了該測(cè)量方法簡(jiǎn)單靈活，結(jié)構(gòu)定位要求低，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性高，可操作性強(qiáng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)和實(shí)施方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0024]先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)和實(shí)施方法示意圖。本發(fā)明艾里光束加速曲線測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0025]①沿光束前進(jìn)方向設(shè)置沿光束前進(jìn)方向移動(dòng)的位移臺(tái)4，面陣光電傳感器3固定在所述的位移臺(tái)4上，沿光束前進(jìn)方向同光軸地依次設(shè)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位于所述的傅立葉透鏡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(chǎn)生一對(duì)加速方向相反的艾里光束的器件；
[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的后焦點(diǎn)f2為參考點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)所述的位移臺(tái)，帶動(dòng)所述的面陣光電傳感器3沿光軸方向運(yùn)動(dòng)，記錄所述的位移臺(tái)的位置讀數(shù)，即面陣光電傳感器3的位置，同時(shí)所述的面陣光電傳感器3拍攝下該截面處的雙艾里光束的光場(chǎng)強(qiáng)度分布；
[0027]③根據(jù)拍攝所得圖像和面陣光電傳感器像素尺寸，計(jì)算得到實(shí)際雙艾里光束主極大之間的間距，除以2即為單艾里光束的加速位移，根據(jù)不同位置處的單艾里光束的加速位移和位移臺(tái)沿光軸方向的位移，繪制艾里光束的加速曲線。
[0028]所述的二元位相器件是液晶型空間光調(diào)制器或非周期性固體微納結(jié)構(gòu)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件。
[0030]所述的位移臺(tái)是帶光柵尺或刻度尺的手動(dòng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一維直線位移臺(tái)。
[0031]用二元位相器件I取代具有連續(xù)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(chǎn)生待測(cè)艾里光束的連續(xù)位相二元化后的結(jié)果，連續(xù)位相二元化的具體方法是:若連續(xù)相位處于區(qū)間[2ηπ，(2η+1) π)中，則二元化位相取值為I若連續(xù)位相處于區(qū)間((2η_1) π，2η π )中，則二元化位相取值為-π。本實(shí)施例中二元位相器件I采用德國Holoeye公司的基于液晶的相位型空間光調(diào)制器，其位相分布由前述的二元化方法決定，具體計(jì)算過程由計(jì)算機(jī)完成。
[0032]將傅立葉透鏡2置于二元位相器件I后方，且二者之間的距離為透鏡的焦距，即二元位相器件I位于傅立葉透鏡的前焦點(diǎn)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(shí)施例中，傅立葉透鏡2由兩個(gè)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置于傅立葉透鏡2的不同于二元位相器件I的另一側(cè)的焦點(diǎn)f2附近，面陣光電傳感器3被固定在一個(gè)可以沿透鏡光軸方向移動(dòng)的有讀數(shù)的位移臺(tái)4上，面陣光電傳感器3中起到光電轉(zhuǎn)化作用的傳感陣列與傅立葉透鏡2的光軸相垂直，并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采用1280x1280分辨率，像素大小為8μπι，位移臺(tái)為帶光柵尺的一維直線電動(dòng)步進(jìn)平臺(tái)，總行程為500毫米，光柵尺分辨率為I微米。
[0034]以傅立葉透鏡2的焦點(diǎn)f2為零位移參考點(diǎn)，計(jì)算機(jī)控制移動(dòng)位移臺(tái)4，帶動(dòng)面陣光電傳感器3沿光軸方向運(yùn)動(dòng)，在不同位置記錄下位移臺(tái)4的光柵尺讀數(shù)，同時(shí)面陣光電傳感器3拍攝下該截面處的雙艾里光束的光場(chǎng)強(qiáng)度分布。
[0035]根據(jù)拍攝所得圖像和面陣光電傳感器像素尺寸，計(jì)算得到實(shí)際雙艾里光束主極大之間的間距，除以2即為單艾里光束的加速位移，根據(jù)不同位置處得到單艾里光束的加速位移和位移臺(tái)沿光軸方向的位移，隨即得到艾里光束的加速曲線。
【權(quán)利要求】
1.一種艾里光束加速曲線的測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: ①沿光束前進(jìn)方向設(shè)置沿光束前進(jìn)方向移動(dòng)的位移臺(tái)(4)，面陣光電傳感器(3)固定在所述的位移臺(tái)(4)上，沿光束前進(jìn)方向同光軸地依次設(shè)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)位于所述的傅立葉透鏡(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(chǎn)生一對(duì)加速方向相反的艾里光束的器件； 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)的后焦點(diǎn)(f2)為參考點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)所述的位移臺(tái)，帶動(dòng)所述的面陣光電傳感器(3)沿光軸方向運(yùn)動(dòng)，記錄所述的位移臺(tái)的位置讀數(shù)，即面陣光電傳感器(3)的位置，同時(shí)所述的面陣光電傳感器(3)拍攝下該截面處的雙艾里光束的光場(chǎng)強(qiáng)度分布； ③根據(jù)拍攝所得圖像和面陣光電傳感器像素尺寸，計(jì)算得到實(shí)際雙艾里光束主極大之間的間距，除以2即為單艾里光束的加速位移，根據(jù)不同位置處的單艾里光束的加速位移和位移臺(tái)沿光軸方向的位移，繪制艾里光束的加速曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的艾里光束加速曲線測(cè)量方法，其特征在于:所述的二元位相器件是液晶型空間光調(diào)制器或非周期性固體微納結(jié)構(gòu)器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的艾里光束加速曲線測(cè)量方法，其特征在于:所述的面陣光電傳感器是面陣電荷耦合器件或面陣互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的艾里光束加速曲線測(cè)量方法，其特征在于:所述的位移臺(tái)是帶光柵尺或刻度尺的手動(dòng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一維直線位移臺(tái)。
【文檔編號(hào)】G01J1/42GK103743480SQ201410002629
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】范永濤, 魏勁松, 王睿 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所