本發(fā)明涉及強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制領(lǐng)域，具體地是基于雙振幅型衍射元件的強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制方法及裝置。

背景技術(shù)：

艾里光束具有自彎曲傳輸、無衍射、以及自愈等特點(diǎn)，自由加速，指艾里光束在自由空間傳輸過程中其彎曲傳輸?shù)能壽E類似于在重力場的作用下物體拋射時(shí)產(chǎn)生的自由加速軌跡；無衍射，是指在傳播過程中光場強(qiáng)度分布的形狀近似保持不變；自愈，指的是艾里光束在自由空間里傳播的過程中，若將艾里光束的部分光斑擋住，在經(jīng)過一段傳輸距離后，其光強(qiáng)分布的形狀會(huì)逐漸恢復(fù)到被遮擋前的形狀。艾里光束這些獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，使其在眾多領(lǐng)域都具有很大的應(yīng)用潛力。艾里光束在遠(yuǎn)場形成艾里光斑。目前現(xiàn)有的強(qiáng)激光艾里光束的調(diào)制技術(shù)完全依賴調(diào)制器件，通常是利用空間光調(diào)制器，其具有調(diào)制功率低的明顯缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有的強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制技術(shù)調(diào)制功率低的缺點(diǎn)，利用雙振幅型衍射元件對強(qiáng)激光進(jìn)行相位調(diào)制，在遠(yuǎn)處目標(biāo)光場獲得艾里光斑，提供基于雙振幅型衍射元件的強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制方法，包括如下步驟，

設(shè)計(jì)強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制光路步驟：激光器出射激光經(jīng)過透鏡組擴(kuò)束后，通過雙振幅型衍射元件，再經(jīng)過擴(kuò)束鏡在目標(biāo)光場形成聚焦艾里光斑。

設(shè)計(jì)振幅型衍射元件步驟：根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求的振幅型衍射元件；

制作振幅型衍射元件步驟：制作滿足設(shè)計(jì)要求的振幅型衍射元件；

調(diào)節(jié)光路步驟：根據(jù)已設(shè)計(jì)的強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制光路，用激光器、透鏡組、雙振幅型衍射元件和擴(kuò)束鏡調(diào)節(jié)好光路，并讓激光器出射激光經(jīng)過透鏡組擴(kuò)束后，通過雙振幅型衍射元件，再經(jīng)過擴(kuò)束鏡在目標(biāo)光場形成聚焦艾里光束。

具體地，所述設(shè)計(jì)振幅型衍射元件步驟中，根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)振幅型衍射元件，設(shè)計(jì)原則是激光器出射激光經(jīng)過透鏡組擴(kuò)束后，再通過雙振幅型衍射元件對入射光場進(jìn)行相位調(diào)制轉(zhuǎn)變成艾里光束。

具體地，所述根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)振幅型衍射元件，具體步驟為：

首先根據(jù)已知的目標(biāo)光場數(shù)學(xué)描述，計(jì)算該光場波前傳播至振幅型衍射元件平面時(shí)的復(fù)數(shù)光場分布，即振幅型衍射元件平面處的u(x，y)＝o0(x，y)e^{iφ(x，y)}，該計(jì)算結(jié)果可以用離散點(diǎn)的數(shù)值表達(dá)方式表示；

再者，光場波前從物體傳播至振幅型衍射元件平面處這一過程，可用fresnel衍射積分公式來進(jìn)行描述：

其中，uobj(ξ，η)為已知的目標(biāo)光場的數(shù)學(xué)描述，z為傳播距離；

其次，振幅型衍射元件平面處的相位函數(shù)可以采用光線追跡方法獲得，其相位函數(shù)φ(x，y)，過振幅型衍射元件平面上任意一點(diǎn)k(x，y)的光線ka均可表示成一自由曲面的法線，其中點(diǎn)a為該法線與對應(yīng)自由曲面的交點(diǎn)，點(diǎn)k的相位可以通過光線追跡表達(dá)為光線ka的光程與對應(yīng)自由曲面軸上參考光線k0a0光程導(dǎo)致的相位差為：

其中，λ為波長，opl[·]表示對給定光線的光程(opticallength)，opl[·]中的“·”代表ka或者k0a0；由于不需要考慮重建波前的振幅部分，該相位函數(shù)即完整地描述了振幅型衍射元件的重建波前；但考慮到用來重建波前的入射光束在衍射元件平面上的相位函數(shù)部分為：

其實(shí)際需要編碼的相位函數(shù)為這兩者之差：

其中j為對應(yīng)自由曲面中心法線方向一點(diǎn)，其到該自由曲面中心處距離為自由曲面中心點(diǎn)曲率半徑，這樣，設(shè)計(jì)出了滿足設(shè)計(jì)要求的振幅型衍射元件，即是確定了該振幅型衍射元件平面處的明暗條紋分布圖案；

公式(1)、(01)～(03)中所有的符號(hào)物理意義：

o(x，y)，u(x，y)-衍射元件平面處的復(fù)數(shù)光場描述

uobj(ξ，η)-已知的目標(biāo)光場的數(shù)學(xué)描述，

z-傳播距離，

δz-鏡面失調(diào)所引起的面形變化矢量，

x，y-衍射元件平面處二維直角坐標(biāo)系

φ(x，y)-位相分布函數(shù)

κ(x，y)-過振幅型衍射元件平面上點(diǎn)(x，y)的光線

opl[·]-對給定光線的光程，opl[·]中的“·”代表k0a0、ka、jk0a0、jka、jk或jk0。

具體地，所述滿足設(shè)計(jì)要求的振幅型衍射元件制作步驟為：

首先在熔石英玻璃基底鍍制80mm～300mmcr層，然后旋涂300nm～600nm光刻膠，將相應(yīng)的振幅型衍射元件設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換為激光直寫加工文件，并利用激光直寫對涂有光刻膠的玻璃基板進(jìn)行曝光，曝光后通過濕法腐蝕將光刻膠上的明暗條紋分布圖案轉(zhuǎn)移到cr層上，最后將cr層上的光刻膠除去擦拭干凈即得到滿足設(shè)計(jì)要求的振幅型衍射元件。

基于雙振幅型衍射元件的強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制裝置，包括順次同軸放置的激光器、透鏡組、兩個(gè)振幅型衍射元件和擴(kuò)束鏡，其中振幅型衍射元件和擴(kuò)束鏡不緊靠，兩振幅型衍射元件按照各自的正方向依據(jù)設(shè)計(jì)次序依次放置，設(shè)計(jì)兩振幅型衍射元件確定各振幅型衍射元件平面處的明暗條紋分布圖案滿足艾里光束的調(diào)制獲得。

具體地，所述設(shè)計(jì)兩振幅型衍射元件確定各振幅型衍射元件平面處的明暗條紋分布圖案的設(shè)計(jì)基于以下原則：

將靠近激光器端的衍射元件命名為第一衍射元件，遠(yuǎn)離激光器端的衍射元件命名為第二衍射元件；

將艾里光斑作為目標(biāo)光場，在不考慮第二衍射元件的情況下，依據(jù)本發(fā)明的艾里光束調(diào)制方法中所述根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)振幅型衍射元件的步驟求解第一衍射元件平面處的條紋分布；

以所述根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)振幅型衍射元件的步驟求解結(jié)果作為第一衍射元件的初始設(shè)計(jì)結(jié)果，在該設(shè)計(jì)結(jié)果中，考慮振幅型衍射元件實(shí)際制造能力，將條紋密度高、條紋曲率過大處的條紋進(jìn)行修正，得到第一衍射元件修正后的設(shè)計(jì)結(jié)果，針對此修正后的設(shè)計(jì)結(jié)果利用第二衍射元件進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法仍依據(jù)本發(fā)明的艾里光束調(diào)制方法中所述根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)振幅型衍射元件的步驟進(jìn)行，以保證艾里光束的獲得；

基于上述設(shè)計(jì)原則即可實(shí)現(xiàn)第一衍射元件與第二衍射元件的設(shè)計(jì)，滿足艾里光束的調(diào)制獲得。

優(yōu)選地，所述擴(kuò)束鏡為透鏡。

本發(fā)明的基于雙振幅型衍射元件的強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制方法及裝置，克服了現(xiàn)有的強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制技術(shù)利用空間光調(diào)制器，調(diào)制功率低的缺點(diǎn)，利用雙(兩個(gè))振幅型衍射元件對強(qiáng)激光進(jìn)行相位調(diào)制，在遠(yuǎn)處目標(biāo)光場獲得艾里光斑，首先設(shè)計(jì)強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制光路，再根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求的振幅型衍射元件，制作振幅型衍射元件，調(diào)節(jié)好包括激光器、透鏡組、振幅型衍射元件和擴(kuò)束鏡的光路，讓激光器出射激光，最后在目標(biāo)光場形成聚焦艾里光斑。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法原理光路示意圖暨本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為振幅型衍射元件平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的方法流程示意圖。

其中，1-激光器，2-透鏡組，3-振幅型衍射元件(31-黑條紋表示暗條紋不透光部分，32-白條紋表示明條紋透光部分)，3a-第一衍射元件，3b-第二衍射元件，4-擴(kuò)束鏡(傅里葉變換透鏡)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

如圖3所示，基于雙振幅型衍射元件的強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制方法，包括如下步驟，

如圖1所示的原理光路示意圖，設(shè)計(jì)強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制光路步驟：激光器出射激光經(jīng)過透鏡組擴(kuò)束后，通過雙振幅型衍射元件即兩個(gè)振幅型衍射元件，兩者間距通常在一米以內(nèi)，再經(jīng)過擴(kuò)束鏡在遠(yuǎn)場的目標(biāo)光場形成聚焦艾里光斑；

設(shè)計(jì)振幅型衍射元件步驟：根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求的振幅型衍射元件，設(shè)計(jì)原則是激光器出射激光經(jīng)過透鏡組擴(kuò)束后，再通過雙振幅型衍射元件對入射光場進(jìn)行相位調(diào)制轉(zhuǎn)變成艾里光束；

具體地，所述設(shè)計(jì)振幅型衍射元件步驟中，根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)振幅型衍射元件，具體步驟為：

首先根據(jù)已知的目標(biāo)光場數(shù)學(xué)描述，計(jì)算該光場波前傳播至振幅型衍射元件平面時(shí)的復(fù)數(shù)光場分布，即振幅型衍射元件平面處(本實(shí)施例中該平面定義為oxy平面，平面處的點(diǎn)為(x，y)點(diǎn))的u(x，y)＝o0(x，y)e^{iφ(x，y)}，該計(jì)算結(jié)果可以用離散點(diǎn)的數(shù)值表達(dá)方式表示；

再者，光場波前從物體傳播至振幅型衍射元件平面處這一過程，可用fresnel衍射積分公式來進(jìn)行描述：

其中，uobj(ξ，αη)已知的目標(biāo)光場的數(shù)學(xué)描述，z為傳播距離；

其次，振幅型衍射元件平面處的相位函數(shù)可以采用光線追跡方法獲得，其相位函數(shù)φ(x，y)，過振幅型衍射元件平面上任意一點(diǎn)k(x，y)的光線ka均可表示成一自由曲面的法線，其中點(diǎn)a為該法線與對應(yīng)自由曲面的交點(diǎn)，點(diǎn)k的相位可以通過光線追跡表達(dá)為光線ka的光程與對應(yīng)自由曲面軸上參考光線k0a0光程導(dǎo)致的相位差為：

其中，λ為波長，opl[·]表示對給定光線的光程(opticallength)，opl[·]中的“·”代表ka或者k0a0；由于不需要考慮重建波前的振幅部分，該相位函數(shù)即完整地描述了振幅型衍射元件的重建波前；但考慮到用來重建波前的入射光束在衍射元件平面上的相位函數(shù)部分為：

其實(shí)際需要編碼的相位函數(shù)為這兩者之差：

其中j為對應(yīng)自由曲面中心法線方向一點(diǎn)，其到該自由曲面中心處距離為自由曲面中心點(diǎn)曲率半徑，這樣，設(shè)計(jì)出了滿足設(shè)計(jì)要求的振幅型衍射元件，即是確定了該振幅型衍射元件平面處的明暗條紋分布圖案；

公式(1)、(01)～(03)中所有的符號(hào)物理意義：

o(x，y)，u(x，y)-衍射元件平面處的復(fù)數(shù)光場描述

uobj(ξ，η)-已知的目標(biāo)光場的數(shù)學(xué)描述，

z-傳播距離，

δz-鏡面失調(diào)所引起的面形變化矢量，

x，y-衍射元件平面處二維直角坐標(biāo)系

φ(x，y)-位相分布函數(shù)

κ(x，y)-過振幅型衍射元件平面上點(diǎn)(x，y)的光線

opl[·]-對給定光線的光程，opl[·]中的“·”代表k0a0、ka、jk0a0、jka、jk或jk0。

制作滿足設(shè)計(jì)要求的振幅型衍射元件，步驟為：

首先在熔石英玻璃基底鍍制80mm～300mmcr層，本實(shí)施例中為150mm，然后旋涂300nm～600nm光刻膠，本實(shí)施例中為400mm，將相應(yīng)的振幅型衍射元件設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換為激光直寫加工文件，文件內(nèi)含振幅型衍射元件平面處的明暗條紋分布圖案信息，并利用激光直寫對涂有光刻膠的玻璃基板進(jìn)行曝光，曝光后通過濕法腐蝕將光刻膠上的明暗條紋分布圖案轉(zhuǎn)移到cr層上，圖案中黑條紋表示暗條紋不透光部分，白條紋表示明條紋透光部分，最后將cr層上的光刻膠除去擦拭干凈即得到滿足設(shè)計(jì)要求的振幅型衍射元件，如圖2所示。

調(diào)節(jié)光路步驟：根據(jù)已設(shè)計(jì)的強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制光路，用激光器、透鏡組、設(shè)計(jì)制作好的雙(兩個(gè))振幅型衍射元件和擴(kuò)束鏡調(diào)節(jié)好光路，并讓激光器出射激光經(jīng)過透鏡組擴(kuò)束后，通過雙振幅型衍射元件，再經(jīng)過擴(kuò)束鏡在目標(biāo)光場形成聚焦艾里光斑。

基于雙振幅型衍射元件的強(qiáng)激光艾里光束調(diào)制裝置，包括順次同軸放置的激光器、兩個(gè)透鏡組成的透鏡組、兩個(gè)振幅型衍射元件和擴(kuò)束鏡，本實(shí)施例中擴(kuò)束鏡為傅里葉變換透鏡，起到傅里葉變換的作用，集聚艾里光束獲得艾里光斑，其中振幅型衍射元件和擴(kuò)束鏡不緊靠，兩振幅型衍射元件按照各自的正方向依據(jù)設(shè)計(jì)次序依次放置，設(shè)計(jì)兩振幅型衍射元件確定各振幅型衍射元件平面處的明暗條紋分布圖案滿足艾里光束的調(diào)制獲得。

所述設(shè)計(jì)兩振幅型衍射元件確定各振幅型衍射元件平面處的明暗條紋分布圖案的設(shè)計(jì)基于以下原則：

將靠近激光器端的衍射元件命名為第一衍射元件，遠(yuǎn)離激光器端的衍射元件命名為第二衍射元件，如圖1所示；

將艾里光斑作為目標(biāo)光場，在不考慮第二衍射元件的情況下，依據(jù)本發(fā)明的艾里光束調(diào)制方法中所述根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)振幅型衍射元件的步驟求解第一衍射元件平面處的條紋分布；

以所述根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)振幅型衍射元件的步驟求解結(jié)果作為第一衍射元件的初始設(shè)計(jì)結(jié)果，在該設(shè)計(jì)結(jié)果中，考慮振幅型衍射元件實(shí)際制造能力，將條紋密度高，通常條紋密度超過200lp/mm，條紋曲率過大，通常條紋斜率超過30°，這樣的條紋進(jìn)行修正，得到第一衍射元件修正后的設(shè)計(jì)結(jié)果，針對此修正后的設(shè)計(jì)結(jié)果利用第二衍射元件進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法仍依據(jù)本發(fā)明的艾里光束調(diào)制方法中所述根據(jù)已知的目標(biāo)光場設(shè)計(jì)振幅型衍射元件的步驟進(jìn)行，以保證艾里光束的獲得；

基于上述設(shè)計(jì)原則即可實(shí)現(xiàn)第一衍射元件與第二衍射元件的設(shè)計(jì)，滿足艾里光束的調(diào)制獲得。