一种拉格朗日高斯光束古依相位参量测量方法

摘要

本发明涉及一种拉格朗日高斯光束古依相位参量测量方法。现有技术光路结构复杂、受到光束相干性限制、无法实现高灵敏度和高数值孔径光学系统中的测量。本发明利用拉格朗日高斯光束的波前振幅调制技术，对光束波前进行扇形遮光调制，并将光束径向参数选定为零，此时光束经过会聚后形成含有一个缺口的圆环形光斑，利用近场光学技术探测含有一个缺口的圆环形光斑，缺口中心对应的方位角参量为基模光束古依相位，经过简单计算得到不同传播位置上的任意拉格朗日高斯光束的古依相位。本发明方法实现简单、结构定位要求低、可靠性高、抗干扰性强、可实现高灵敏度直接测量、可以测量高数值孔径光学系统中的古依相位参量、应用范围广等特点。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光学参量的测量方法，特别是一 种拉格朗日高斯光束古依相位参量测量方法。主要用于光学谐振腔、腔增 强光谱分析、脉冲光整形、光化学、光学仪器等领域中的结构性能的设计 优化。

背景技术

古依相位的英文全称为Gouy Phase，古依相位由法国人Gouy于1890 年首先发现，是指会聚光波和标准球面波相比在焦点附近产生的附加相位。 这种反常的附加相位事实上存在于各种会聚波的焦点附近。对于光波而言， 光学古依相位有非常重要的意义，它决定了激光谐振腔各种横模的谐振频 率，还影响光脉冲波包的空间分布形状，并且还可以调控光致电离和光解 效应。光学古依相位参量的测量是其具体应用的前提，具有非常重要的作 用和地位。在先技术中，存在光学古依相位参量的测量方法，通过检测两 束光相干信号得到古依相位参量值，例如，《光学学报》2007年27卷第10 期上的论文《超连续谱干涉方法测量古依相移》中就是使用相干的方法， 这种方法虽具有一定的优点，但是存在本质不足，光束相干光路结构复杂， 受到光束的时间相干性和空间相干性的限制；测量系统的光学和光机结构 的定位要求高，系统抗干扰性不强；无法实现任何光学古依相位参量的高 灵敏度直接测量，无法实现高数值孔径光学系统中的古依相位参量测量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种拉格朗日高斯光束 古依相位参量测量方法，具有实现简单、结构定位要求低、可靠性高、抗 干扰性强、可实现高灵敏度直接测量、可以测量高数值孔径光学系统中的 古依相位参量、应用范围广等特点。

本发明的基本构思是：拉格朗日高斯光束是波动方程的近轴完备解集， 本发明利用拉格朗日高斯光束的波前振幅调制技术，对拉格朗日高斯光束 波前进行扇形遮光调制，并将光束径向参数选定为零，此时光束经过会聚 后形成含有一个缺口的圆环形光斑，利用近场光学技术探测含有一个缺口 的圆环形光斑，探测光束传播方向不同位置上的缺口中心对应的方位角参 量可以得到不同传播位置上的基模光束古依相位，拉格朗日高斯光 束的径向参数p乘以2，再与拓扑数取m绝对值和后加1，再乘上基模光束 古依相位，就得到了不同传播位置上的任意拉格朗日高斯光束的古依相位， 即为此方法光路结构简单、不受到光束的时间相干性 和空间相干性的限制；测量系统的光学和光机结构的定位要求低，系统抗 干扰性强；可实现基模光学古依相位参量的高灵敏度直接测量，经过简单 计算既可以得到光束古依相位，实现高数值孔径光学系统中的古依相位参 量测量，方法简单直接；可操作性强，应用范围广。

此处特别指出：现有激光器出射光束多为高斯光束，高斯光束是拉格 朗日高斯光束的基模，也就是说，拉格朗日高斯光束在径向参数和拓扑数 均取零时就是高斯光束，高斯光束是拉格朗日高斯光束的一个特例。并且， 拉格朗日高斯光束是波动方程近轴的完备解集，任意光场均可以通过拉格 朗日高斯光束线形组合叠加进行解析表示。

本发明方法的具体步骤如下，

步骤(1)激光器出射光束经过准直扩束器件后形成准直光束，激光器 出射光束的光路上依次设置有准直扩束器件、振幅型空间光调制器、不透 光扇形挡光板、会聚物镜。通过计算全息方法得到光束径向参数为零的拉 格朗日高斯光束全息图形，将全息图形通过数据线传输到振幅型空间光调 制器中，激光器出射光束依次经过准直扩束器件和振幅型空间光调制器后 转化成为零径向参数的拉格朗日高斯光束；

步骤(2)振幅型空间光调制器出射的拉格朗日高斯光束经过不透光扇 形挡光板后，转化成为含有扇形挡住区域的拉格朗日高斯光束，不透光扇 形挡光板的中心点与振幅型空间光调制器出射的拉格朗日高斯光束光轴中 心点相重合，不透光扇形挡光板的扇形圆心角小于2π/3，扇形圆心角也 称作扇形顶角，不透光扇形挡光板的半径大于准直扩束器件出射准直光束 的半径，不透光扇形挡光板的入射面与振幅型空间光调制器的出射面的间 距小于5毫米；

步骤(3)不透光扇形挡光板出射的含有扇形挡住区域的拉格朗日高斯 光束经过会聚物镜，进行聚焦，形成含有一个缺口圆环形光斑的焦点区域， 会聚物镜焦点区域设置有近场光纤探针，近场光纤探针的探测端光轴与会 聚物镜出射光束光轴相互平行，近场光纤探针的探测端指向会聚物镜，近 场光纤探针的探测端与三维纳米平台相固定，近场光纤探针的另一端与光 电传感器相连接；

步骤(4)三维纳米平台带动近场光纤探针的探测端在会聚物镜焦点区 域进行三维扫描，近场光纤探针探收集的光信号被光电传感器探测，得到 焦点区域不同传播方向上的含有一个缺口的圆环形光斑，在轴向光强最大 处所检测到的光斑缺口对应的方位角方向为零点方向，轴向光强最大处为 轴向方向的起点，检测到的其它轴向位置上光斑缺口相对于零点方向的方 位角参量为基模拉格朗日高斯光束的古依相位；

步骤(5)拉格朗日高斯光束的径向参数p乘以2，再与拓扑数取m绝对 值和后加1，再乘上基模光束古依相位，就得到了不同传播位置上的任意 拉格朗日高斯光束的古依相位，即为

所述的振幅型空间光调制器为液晶型空间光调制器、微镜阵列型空 间光调制器、胶片型空间光调制器、激光直写型空间光调制器的一种。

所述的三维纳米平台为三维平板式压电陶瓷位移器、纳米扫描管位移 元件中的一种。

所述的光电传感器为光电二极管、雪崩管、光电倍增管中的一种。

本发明中用于产生拉格朗日高斯光束全息图形的计算全息方法、将全 息图形通过数据线传输到振幅型空间光调制器中的过程，以及近场光纤探 针光强检测图像处理技术均为现有成熟技术。计算全息方法原理为将所需 得到光束的光场与参考光束光场进行光学相干，计算得到干涉图形，将激 光器实际产生的参考光束经过干涉图形就可以转化成为所需得到光束，广 泛存在于图像再现领域。将全息图形通过数据线传输到振幅型空间光调制 器中的过程是振幅型空间光调制器的使用方法。本发明的发明点在于运用 光束波前振幅调制技术给出一种拉格朗日高斯光束古依相位参量测量方 法。

与现有技术相比，本发明的优点：

1)在先技术中测量光学古依相位参量多基于检测两束光相干信号，系 统为光束相干光路，光路结构复杂，并且要求光束的时间相干性和空间相 干性好，否则，无法形成光学干涉或者光学干涉效果差。本发明是基于拉 格朗日高斯光束的波前振幅调制技术，无需光学相干，不受到光束的时间 相干性和空间相干性的限制，所需光路结构简单，测试方法简单；

2)本发明测量系统为一路光束传播光路，同时不要求光学相干，所以 光学和光机结构的定位要求低，测量系统的抗干扰性强，可操作性强；

3)本发明中焦点区域不同传播方向上的含有一个缺口的圆环形光斑， 在轴向光强最大处所检测到的光斑缺口对应的方位角方向为零点方向，轴 向光强最大处为轴向方向的起点，检测到的其它轴向位置上光斑缺口相对 于零点方向的方位角参量就为基模拉格朗日高斯光束的古依相位，因此实 现了基模光学古依相位参量的高灵敏度直接测量，经过简单计算就可以得 到光束古依相位，方法简单直接；

4)古依相位是指会聚光波和标准球面波相比在焦点附近产生的附加相 位，随着光学谐振腔、腔增强光谱分析、脉冲光整形、光化学、光学仪器 等领域的发展，高数值孔径光学系统应用非常普遍，但是，在先技术中无 法实现高数值孔径光学系统中的光学古依相位参量测量。本发明基于焦点 区域光斑缺口方位角得到古依相位参量，其测量过程中是利用近场光纤探 针测量焦点区域光强分布，将近场光学技术引入古依相位方法中，可以实 现高数值孔径光学系统中的古依相位参量测量，本发明应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明检测方法系统图。

图2为本发明中的不透光扇形挡光板出射一测观测到的计算全息图。

图3为本发明的焦点区域焦平面上带有一个缺口圆环形光斑示意图。

图4为本发明的焦点区域传播方向上的带有一个缺口圆环形光斑示意 图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

在先技术中光学古依相位参量的测量方法是通过检测两束光相干信号 得到古依相位参量值，这种方法虽然具有一定的优点，但是存在本质不足， 光束相干光路结构复杂，受到光束的时间相干性和空间相干性的限制；测 量系统的光学和光机结构的定位要求高，系统抗干扰性不强；无法实现任 何光学古依相位参量的高灵敏度直接测量，无法实现高数值孔径光学系统 中的古依相位参量测量。本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一 种拉格朗日高斯光束古依相位参量测量方法，具有实现简单、结构定位要 求低、可靠性高、抗干扰性强、可实现高灵敏度直接测量、可以测量高数 值孔径光学系统中的古依相位参量、应用范围广等特点。具体测量步骤如 下：

步骤(1)激光器1出射光束经过准直扩束器件2后形成扩束准直光束， 激光器1出射光束的光路上依次设置有准直扩束器件2、振幅型空间光调 制器3、不透光扇形挡光板4、会聚物镜5，如图1所示。通过计算全息方 法得到光束径向参数为零的拉格朗日高斯光束全息图形，将全息图形通过 数据线传输到振幅型空间光调制器3中，激光器1出射光束依次经过准直 扩束器件2和振幅型空间光调制器3后转化成为零径向参数的拉格朗日高 斯光束。本实施例中激光器1采用氦氖气体激光器，输出光束直径为1毫 米；准直扩束器件2采用扩束倍率可调的伽利略型准直扩束镜，扩束倍率 为10倍，激光器1出射光束经过准直扩束器件2后形成直径为10毫米的 准直光束。振幅型空间光调制器3采用液晶型空间光调制器，上海瑞立柯 信息技术有限公司的1080P型振幅型空间光调制器，工作模式为透射式。 将计算得到的径向参数p为零、拓扑数为10的拉格朗日高斯光束全息图形 传给了振幅型空间光调制器3，得到了零径向参数的拉格朗日高斯光束。

步骤(2)振幅型空间光调制器3出射的拉格朗日高斯光束经过不透光 扇形挡光板4后，转化成为含有扇形挡住区域的拉格朗日高斯光束，不透 光扇形挡光板4的中心点与振幅型空间光调制器3出射的拉格朗日高斯光 束光轴中心点相重合，不透光扇形挡光板4的扇形圆心角小于2π/3，扇 形圆心角也称作扇形顶角，不透光扇形挡光板4的半径大于准直扩束器件 2出射准直光束的半径，不透光扇形挡光板4的入射面与振幅型空间光调 制器3的出射面的间距小于5毫米。本实施例中不透光扇形挡光板4为碳 钢薄片修剪成为扇形圆心角π/3的扇形，半径为15毫米。不透光扇形挡 光板4的入射面与振幅型空间光调制器3的出射面的间距为1毫米。图2 为不透光扇形挡光板4出射一测可观测到的计算全息图。

步骤(3)不透光扇形挡光板4出射的含有扇形挡住区域的拉格朗日高 斯光束经过会聚物镜5进行聚焦，形成含有一个缺口圆环形光斑的焦点区 域，会聚物镜5焦点区域设置有近场光纤探针6，近场光纤探针6的探测 端光轴与会聚物镜5出射光束光轴相互平行，近场光纤探针6的探测端指 向会聚物镜5，近场光纤探针6的探测端与三维纳米平台7相固定，近场 光纤探针6的另一端与光电传感器8相连接。本实施例中会聚物镜5采用 Nikon平常消色差物镜，近场光纤探针6采用近场光学显微镜系统中的光 纤探针，探针顶端开口直径为30nm，三维纳米平台7采用PI公司的三维 平板式压电陶瓷位移器。

步骤(4)三维纳米平台7带动近场光纤探针6的探测端在会聚物镜5 焦点区域进行三维扫描，近场光纤探针6收集到的光信号被光电传感器8 探测，得到焦点区域不同传播方向上的含有一个缺口的圆环形光斑，在轴 向光强最大处所检测到的光斑缺口对应的方位角方向为零点方向，轴向光 强最大处为轴向方向的起点，即z＝0，检测到的其它轴向位置上光斑缺口 相对于零点方向的方位角参量为基模拉格朗日高斯光束的古依相位。 图3为焦点区域焦平面上带有一个缺口圆环形光斑示意图，图4为传播方 向上的带有一个缺口圆环形光斑示意图，本实施例中检测的是径向参数p 为零和拓扑数为10的拉格朗日高斯光束古依相位参量，在离焦平面距离为 40厘米处的基模拉格朗日高斯光束的古依相位为2.4弧度。

步骤(5)拉格朗日高斯光束的径向参数p乘以2，再与拓扑数取m绝对 值相加取和后加1，再乘上基模光束古依相位，就得到了不同传播位置上 的任意拉格朗日高斯光束的古依相位，即为本实施例 中在离焦平面距离为40厘米处的拉格朗日高斯光束的古依相位为26.4弧 度。

本实施例成功完成了拉格朗日高斯光束古依相位参量的测量，与在先 技术进行了比较，本发明克服了现有技术中的本质不足，具有光路简单、 不受到光束的时间相干性和空间相干性的限制、测量系统的光学和光机结 构的定位要求低、系统抗干扰性强、可实现基模光学古依相位参量的高灵 敏度直接测量、方法简单直接、可操作性强、应用范围广等特点，提供了 一种拉格朗日高斯光束古依相位参量测量方法。