一种产生空心光束的变高轴锥孔结构

传统方法在产生空心光束时存在限制，如采用横模选择法对设备的要求较高。本发明针对上述缺点提供了一种高效、易行的微光学结构，通过对轴锥孔结构进行高度变换，即可产生外环局域场显著增强的空心光束，且光强可控。

背景技术：

1、空心光束由于具有传播不变性、轨道角动量，且强度满足桶形分布等特性，常常用来作为激光导管、光学镊子等。在微观粒子的操纵、涡旋光的产生等方面扮演了重要的角色，在光学成像、生物医学、光通信等领域有重要的价值。

2、现有的横模选择法、模式变换法、光学全息法、计算全息法、中空光纤法等各种方法产生了各种不同的空心光束。横模选择法是一种传统的用于产生空心光束的方法，它是通过在侧向泵浦的掠入射染料激光中选择激发tem01横模来产生半径可调的空心光束，光束的半径是通过激光频率的调谐来改变。该方法对激光器的要求较高，实验装置不易精准调整，不能形成普遍的应用。因此，提出一种具有简单的原理、可以按需变换的结构，可以完成灵活控制空心光束的能量强度、提高空心光束的质量的任务，也能够大大优化产生空心光束的流程，这是具有十分重要的意义和应用价值的。本发明通过设计一种高度变化的轴锥孔结构，光源从结构里面垂直入射，以改变入射光光场，将平面波整形为一束质量良好的空心光束。

3、本发明在几何光学领域为产生质量理想的空心光束提供了一种新的思路。使用该方法产生的空心光束具有能量分布均匀、外环局域的强度明显增强的优势。根据斯涅尔定律、衍射元件设计原理以及光的折射定律，通过增加或者减少结构层数即可增大光强或降低光强，实现对光强的控制，提高光强的对比度，解决了等高轴锥孔结构出现的同心圆环的问题。此外，该方法原理简单、操作容易、极大程度地节约了时间。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种产生空心光束的变高轴锥孔结构，这为获得一个光强灵活可控、质量理想的空心光束，提供了一种崭新的思路。

2、上述变高轴锥孔结构的制备和空心光束的生成是通过以下方法实现的：

3、一种产生空心光束的变高轴锥孔结构，其制备步骤如下：

4、步骤一：通过根据斯涅尔定律和衍射元件设计原理，即，其中。其中，λ是入射波波长，n是轴锥孔的折射率，是单层轴锥孔底面圆的半径。h是对应于单层结构时，从轴锥孔底部垂直入射平面波，能够产生理想空心光束的最佳高度，这作为变高结构其他层高度值的参考依据；

5、步骤二：根据公式组(1)-(3)和高度变换的公式，计算不同结构层的对应高度，即。其中k=1，2，3……，分别对应第一层、第二层、第三层等。根据光的折射定律，，随着的增加，出射角增大。因此，为产生外环局域光强集中的空心光束，以轴锥孔的圆心对称中心，不同层的结构的高度随着与对称中心之间的距离的增大而降低；

6、                                                (1)

7、                                           (2)

8、                                   (3)

9、步骤三：将轴锥孔的相位信息投影在透射式空间光调制器(slm)上。利用连续激光器作为激发光源，经空间滤波器滤波、扩束镜扩束准直，使得出射光成为平行光。利用偏振片组分别对光束进行偏振处理和图像显示，在空间光调制器的作用下产生轴锥孔的目标光场。经凸透镜组调整光束直径后，利用图像传感器完成光场信息的采集。

10、进一步的，根据步骤一中，通过单个轴锥孔产生的光束满足空心光束的特性；

11、进一步的，根据步骤二中，随着结构的层数的增加，可以实现边缘局域光强的叠加、增强，提高外环和中心光强的对比度；

12、进一步的，根据步骤三中，所述目标结构光场的产生所用的光源是平行光，所用的实验器件还包括使用调节光束直径的透镜组、光阑，以及偏振化处理的偏振片组；

13、进一步的，根据步骤三中，变高轴锥孔结构在空间光调制器（slm）的投影时使用的是相位信息，且相位图满足满屏投影条件；所述图像传感器为ccd或cmos。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果包括:

15、本发明的目的是利用变高的轴锥孔结构产生空心光束，该空心光束质量理想，具有强度可灵活增减的优势。根据空心光束具有轨道角动量的特性，该结构可以在偏振处理的情况下生成涡旋光束，进一步将涡旋光束与傅里叶光学的4f系统结合，在频域范围内实现特殊的应用，比如基于涡旋相位掩膜的边缘增强。对于使用该结构光束整形的操作方法，既可以将该结构加工成实体器件，也可以将该结构的相位图投影在空间光调制器上，简单易行。

技术特征：

1.一种产生空心光束的变高轴锥孔结构，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种产生空心光束的变高轴锥孔结构，其特征在于，通过单个轴锥孔产生的光束满足空心光束的特性；随着结构层数的增加，可以实现边缘光强的叠加、增强，提高边缘和中心光强的对比度。

3.根据权利要求1所述的一种产生空心光束的变高轴锥孔结构，其特征在于，轴锥孔结构的材料为光学玻璃，即sio2。

4.根据权利要求1所述的一种产生空心光束的变高轴锥孔结构，其特征在于，所述目标结构光场的产生所用的光源是平行光，所用的实验器件还包括使用调节光束直径的透镜组、光阑，以及偏振化处理的偏振片组。

5.根据权利要求1所述的一种产生空心光束的变高轴锥孔结构，其特征在于，轴锥孔结构在空间光调制器上投影时使用的是其相位信息，且相位图满足满屏投影条件。

6.根据权利要求1所述的一种产生空心光束的变高轴锥孔结构，其特征在于，所述图像传感器为ccd或cmos。

技术总结本发明公开了一种变高的、多层的、线性凹陷的轴锥孔结构。该结构是以斯涅尔定律、衍射元件设计原理以及光的折射定律为基础，对不同结构层的高度进行计算，实现各层高度由内向外逐渐降低的形态特征。平面波垂直入射，经过结构完成光束整形，形成外环局域能量占总能量90%以上、具有空心特性的光束。对该器件进行光束的偏振化处理，可以用来产生涡旋光束；此外该器件也可以用于粒子操纵、光学成像等领域，具有广泛的应用场景。技术研发人员：匡登峰,孙梦,隋新骐受保护的技术使用者：南开大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11