一种产生全庞加莱光束的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及应用光学技术领域，特别是设及一种庞加莱光束的产生方法和装置。
【背景技术】
[0002] 自上世纪第一台红宝石激光器被发明出来W后，激光技术得到了迅猛的发展，激 光技术极大的促进了社会的进步和发展。偏振特性是激光的一项重要特性，通过大量实验 研究通过改变激光的偏振特性可W有效的降低激光在端流大气中闪烁指数，该一优势将可 W大幅提高激光在大气传输中的质量，为大气激光通讯、激光武器、激光遥感等应用奠定基 础。
[0003] 近年来，通过改变激光的偏振特性来改善激光传输特性的研究引起了研究者们的 兴趣，庞加莱光束就是该种具有特殊偏振的光束。在经典光学中，我们用Stokes参量来描 述光束的光波的偏振状态，为了更加直观的表示光波的偏振状态，H.P〇incar6提出了一种 楠圆偏振光偏振状态的几何表示方法，该方法W Stokes参量中的SO为半径做一个球体，该 球体就是庞加莱球，球面上每一个点都对应着不同的偏振状态，而全庞加莱光束的横截面 上的偏振状态包含了庞加莱球面上所描述的所有偏振状态。
[0004] 不同于传统的标量光束，全庞加莱光束对亚微米级颗粒的作用力分为=个部分， 即；散射力、梯度力、卷曲力。由于特殊的偏振分布化及祸旋相位全庞加莱光束具有卷曲力， 该种力可W有效的控制亚微米级颗粒。该就为全庞加莱光束应用于微粒操控、粒子囚禁等 奠定了基础。除此之外，庞加莱光束可W有效的应用于光束整形，通过改变庞加莱光束初始 参量可W在远场得到不同的光强分布，包括：空屯、光束、高斯光束、平顶光束等。全庞加莱光 束的优良特性还不止于此，近期经实验验证，全庞加莱光束在端流大气中传输时可W有效 的降低光束的闪烁指数，通过改变全庞加莱光束的初始参数可W进一步减小端流大气对光 束的影响。
[0005] 目前并没有合适的产生全庞加莱光束的装置和方法，有鉴于上述的缺陷，本设计 人，积极加W研究创新，W期创设一种产生全庞加莱光束的装置和方法，使其更具有产业上 的利用价值。
【发明内容】
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种全庞加莱光束的装置和方法。
[0007] 本发明的技术方案如下；
[0008] -种产生全庞加莱光束的装置，包括，
[0009] 光源，用于产生激发光；
[0010] 扩束镜，用于接收来自所述光源的光束并且将所接收的光束进行扩束；
[0011] 叉形光栅，刻蚀在光栅玻璃上，用于过滤所述光束得到零级高斯光束W及一级拉 盖尔高斯光束的混合光束；
[0012] 分光棱镜，用于接收来自所述叉形光栅的光束，将来自所述叉形光栅的光束分为 透射混合光束和垂直于透射方向的反射混合光束；
[0013] 第一圆形光阔，对分光棱镜中的透射混合光束进行过滤，过滤一级拉盖尔光束；
[0014] 第一衰减片，用于接收第一圆形光阔过滤后的零级高斯光束并调节零级高斯光束 的光强峰值；
[0015] 第一平面镜，用于垂直反射第一衰减片的零级高斯光束；
[0016] 半波片，用于接收第一平面镜反射的零级高斯光束，并调节零级高斯光束的偏振 方向；
[0017] 第二圆形光阔，对分光棱镜中的反射混合光束进行过滤，过滤零级高斯光束；
[0018] 第二平面镜，用于垂直反射第二圆形光阔的一级拉盖尔光束；
[0019] 第二衰减片，用于接收第二平面镜反射的一级拉盖尔光束并调节一级拉盖尔光束 的光强峰值；
[0020] 偏振分光棱镜，用于接收半波片射出的零级高斯光束和由第二衰减片射出一级拉 盖尔光束用，并对接收到的零级高斯光束和由一级拉盖尔光束进行合成。
[0021] 进一步的，所述光源为激光器，所述激光器为化-Ne气体激光器。
[0022] 进一步的，所述光栅玻璃所用材料是烙凝石英Si02,其折射率是1. 45843。
[0023] 进一步的，所述叉形光栅的线对数是201p/mm(线对/毫米），叉形光栅表面凸起 的高度是入射光束的一个波长（本发明中d =0.632um)，其中光栅表面凸起部分呈余弦分 布。
[0024] 一种产生全庞加莱光束的方法，其特征在于，包含W下步骤：
[00巧]S1:光源发出准直的高斯光束，经扩束镜后射向叉形光栅，高斯光束通过光栅玻璃 后取零级高斯光束W及一级拉盖尔高斯光束；
[0026] S2;零级高斯光束和一级拉盖尔光束经过分光棱镜，分别透射和反射后用第一圆 形光阔将透射过的一级拉盖尔光束滤掉，用第二圆形光阔将反射的零级高斯光束滤掉；
[0027] S3;将所述步骤S2中透射的零级高斯光束射向第一衰减片，零级高斯光束通过第 一衰减片后用第一平面镜将其垂直反射至半波片，
[0028] S4;将所述步骤S2中反射的一级拉盖尔光束射向第二平面镜，经第二平面镜垂直 反射后射向第二衰减片；
[0029] S5;旋转半波片的角度使步骤S3中的一级高斯光束的线偏振方向与步骤S4中反 射的零级拉盖尔光束偏振方向相互垂直；
[0030] S6;将从半波片射出的零级高斯光束和由第二衰减片射出一级拉盖尔光束用偏振 分光棱镜合成，调节射出的两束光平行共轴成一束合成光，此束合成光束即为全庞加莱光 束。
[0031] 进一步的，所述步骤S2和步骤S3中，通过调节第一衰减片和第二衰减片的角度， 使透射的高斯光束和反射的一级拉盖尔光束的光强峰值比为1:1。
[0032] 进一步的，所述零级高斯光束的电场满足下列表达式：
[0033]
[0034] 进一步的，所述一阶拉盖尔高斯光束的的电场满足下列表达式，其中下列表达式 中的m取值1;
[00巧]
[0036] 进一步的，所述全庞加莱光束的电场满足下列表达式：
[0037]
[0040]式中
exp 0 代表 e 指数函数；4 = tan-i (z/Zk)是 Gouy 是Gouy相位，《。是局斯光束的束腰半径
曼 光束在位置Z处的束腰半径；丫是一个调控因子，它调节着光束的光强大小，逆时针为正， 顺时针为负，角度范围为0°《丫《90°
[0041] 借由上述方案，本发明至少具有W下优点：
[0042] (1)本发明庞加莱光束产生装置的元器件简单易购，且该些元器件对光强吸收比 较小，对激光强度要求较小；
[0043] (2)通过简易结构，对高斯光束和拉盖尔光束进行合成，通过调第一节衰减片和第 二衰减片可W得到全庞加莱光束；
[0044] (3)扩束镜与圆形光阔为连续可调式元器件，具有较好的适用性；
[0045] (4)测量装置利用CCD对光强分布进行拍照，并利用计算机对所拍的照片进行叠 加，可获得光强分布图像，其操作简单、易于调整。
[0046] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予W实施，W下W本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【附图说明】
[0047] 图1是本发明光束产生系统的结构示意图；
[0048] 图2是本发明的全庞加莱光束在光源面上的光强等高分布图；
[0049] 图3是本发明的一阶拉盖尔高斯光束在光源面上的光强等高分布图；
[0050] 图4是本发明的高斯光束光束在光源面上的光强等高分布图；
[0051] 图5是本发明的叉形光栅的正视图
[0052] 图6是本发明的叉形光栅的俯视图
【具体实施方式】
[0053] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。W下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0054] 参见图1，在本发明中，一种产生全庞加莱光束的装置依次包括激光器1、扩束镜 2、叉形光栅3、分光棱镜4、第一圆形光阔5、第一衰减片6、第一平面镜7、第二圆形光阔8、 半波片9、第二平面镜10、第二衰减片11、偏振分光棱镜12。其中第一圆形光阔5和第一衰 减片6 W及第一平面镜7位于分光棱镜4的透射光路上，第二圆形光阔8、第二平面镜10、 第二衰减片11位于分光棱镜4的反射光路上。其中光源1，用于产生激发光；扩束镜2,用 于接收来自光源的光束并且将所接收的光束进行扩束；叉形光栅3,刻蚀在光栅玻璃上，用 于过滤光束得到零级高斯光束W及一级拉盖尔高斯光束的混合光束；分光棱镜4,用于接 收来自叉形光栅3的光束，将来自叉形光栅3的光束分为透射混合光束和垂直于透射方向 的反射混合光束；第一圆形光阔5,对分光棱镜4中的透射混合光束进行过滤，过滤一级拉 盖尔光束；第一衰减片6,用于接收第一圆形光阔5过滤后的零级高斯光束并调节零级高斯 光束的光强峰值；第一平面镜7,用于垂直反射第一衰减片6的零级高斯光束；半波片9,用 于接收第一平面镜7反射的零级高斯光束，并调节零级高斯光束的偏振方向；第二圆形光 阔8,对分光棱镜4中的反射混合光束进行过滤，过滤零级高斯光束；第二平面镜10,用于垂 直反射第二圆形光阔8的一级拉盖尔光束；第二衰减片11，用于接收第二平面镜10反射的 一级拉盖尔光束并调节一级拉盖尔光束的光强峰值；偏振分光棱镜12,用于接收半波片射 出的零级高斯光束和由第二衰减片11射出一级拉盖尔光束用，并对接收到的零级高斯光 束和由一级拉盖尔光束进行合成。
[00巧]叉形光栅所用的玻璃原片需要符合国标；GB4871、GB9963和GB11614。光栅玻璃 所用材料是烙凝石英Si02,其折射率是；1. 45843。光栅表面中间一条脊（图5中用白线条 表示，从左往有数第41条）在光栅中屯、处分为两条脊