一种携带涡旋的自聚焦光束产生多个实心焦点的方法

本发明属于光场调控领域，具体涉及一种携带涡旋的自聚焦光束产生多个实心焦点的方法。

背景技术：

1、起源于自加速圆形艾里光束的突然自聚焦(aaf)光束不需要透镜或者光学非线性效应就能发生突变自聚焦，主要特征为在形成焦点前保持低光强的无衍射传输，并在焦点位置上呈现出巨大的光强。此外，自1989年首次提出涡旋光束以来，由于其独特的特性，迅速引起了研究者的广泛兴趣。涡旋光不仅作为波动的一种形式具有自旋角动量，而且由于其螺旋状的相位结构而产生轨道角动量，其可以实现对微观粒子的亚接触、无损伤的旋转操纵。研究者在前期研究中，通过对突然自聚焦光束和涡旋光束的结合，产生各种自聚焦涡旋光束，优化了光学操纵性能，在各个研究领域具有广阔应用。

2、然而，携带中心光学涡旋的自聚焦光束通常会在光束中心形成空心强度分布。已有研究者证明，一种特殊的突变光束叠加可以形成一个光束族，即使在光束中心没有涡旋，也可以在光束中心附近携带固定轨道角动量。基于这种现象，我们引入了一种新型光束，称为气旋燕尾涡旋光束(csvbs)。气旋燕尾涡旋光束在保留传统自聚焦涡旋光束优良特性的基础上，通过控制突变光束叠加数等于负的拓扑电荷数，可以在传播过程中产生多个自聚焦焦点。同时，通过控制突变光束的叠加数还可以调节焦点的峰值强度。

3、中国专利公开号：cn 113359308 a，公开了一种聚焦涡旋光发生器及其制备方法。该方法能通过包含单模光纤、多模光纤和复合型螺旋相位片，多模光纤的输入端与单模光纤对接耦合，多模光纤的输出端与复合型螺旋相位片对接耦合的装置来将激光直接调制为具有优良聚焦特性的涡旋光。但是，这种方法必须借助特定实验装置，操作复杂繁琐，而且无法实现多次聚焦。

技术实现思路

1、本发明提出一种携带涡旋的自聚焦光束产生多个实心焦点的方法，通过叠加不同方位角的二维焦散场并采用菲涅耳衍射积分形成近轴近似下的气旋燕尾涡旋光束的源光场波函数，利用计算机全息技术产生特定光场全息图，并加载至空间光调制器；然后将扩展的平面准高斯波束加载至光束波前并编码所需的复相位分布，以生成具有特定参数的气旋燕尾涡旋光束；

2、本发明采用的技术方案为：一种携带涡旋的自聚焦光束产生多个实心焦点的方法，所述产生方法的基础理论如下：

3、根据突变理论，焦散场ψn(k)的表达式为：

4、ψn(k)＝∫rexp[iφn(k,s)]ds                     (1)

5、其中，k＝k1,k2,…,kj表示无量纲控制参数，是与焦散场相有关的正则势函数，s是状态变量；

6、当取n＝5时，通过叠加不同方位角的二维焦散场，采用菲涅耳衍射积分，能得到傍轴近似下的气旋燕尾涡旋光束：

7、

8、其中，x,y,z是空间坐标，λ是波长，(n为折射率)为波数，n>1是叠加光束的数目，l是拓扑电荷数，

9、

10、n>1是叠加光束的数目，x0是横向比例因子，c0表示每个焦散场的位移。csvbs的输入光场分布由式(2)描述，csvbs的传播能通过光束传播的方式形成，其中波长保持为λ＝632.8nm，输入功率p＝1w,x0＝47μm,c0＝3。

11、设定光场参数λ＝632.8nm，输入功率p＝1w,x0＝47μm,c0＝3，使突变光束叠加数等于负的拓扑电荷数，实现在自聚焦涡旋光束中心形成焦点。利用计算机生成全息相位图，通过分步傅里叶方法产生数值模拟的传播侧视图。

12、本发明的有益效果是：本发明提出了一种气旋燕尾涡旋光束，该光束融合了突然自聚焦光束和涡旋光束的优点，实现光束携带涡旋且具有多个的自聚焦中心焦点。通过调整突变光束叠加数和拓扑电荷数，能定制气旋燕尾涡旋光束的传播行为，实现多次自聚焦、光束旋转并向前传播。这种控制方式操作简便，产生的光束具有出色的传播特性和自聚焦特性，为光操控方面带来更多潜在的重要的应用。

13、上述内容为本发明技术方案的简要概述，为了更清晰地理解本发明的技术手段，可以根据说明书的详细内容进行实施。同时，为了更明确地展示本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图，举例详细说明较佳的实施方式。

技术特征：

1.一种携带涡旋的自聚焦光束产生多个实心焦点的方法，其特征在于：通过叠加不同方位角的二维焦散场并采用菲涅耳衍射积分，形成傍轴近似下的气旋燕尾涡旋光束的源光场波函数，利用计算机全息技术产生特定光场全息图，并加载至空间光调制器；然后将扩展的平面准高斯波束加载至光束波前，并编码所需的复相位分布，以生成具有特定参数的气旋燕尾涡旋光束；

2.根据产权要求1所述的携带涡旋的自聚焦光束产生多个实心焦点的方法，其特征在于：控制突变光束叠加数等于负的拓扑电荷数，能在传播过程中产生多个自聚焦焦点。

技术总结本发明提出一种携带涡旋的自聚焦光束产生多个实心焦点的方法，通过叠加不同方位角的二维焦散场，并利用菲涅耳衍射积分形成傍轴近似下的光场分布，生成一种携带涡旋的多实心焦点的自聚焦光束，被称为气旋燕尾涡旋光束。通过控制突变光束叠加数等于负的拓扑电荷数，光束在传输过程中形成多个实心焦点并实现涡旋传播。实验上，通过计算机生成具有特定参数的全息图，并将其加载到空间光调制器上，从而产生气旋燕尾涡旋光束的多个实心自聚焦焦点。这种控制方式操作简便，产生的光束具有出色的传播特性和广阔的应用前景。技术研发人员：梁毅,张传厚,邓盛誉,梁嘉芳,靳亚龙,刘娜娜,邬海霞受保护的技术使用者：广西大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13