任意波長半高斯激光束發(fā)生器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，涉及激光光束整形技術(shù)，具體為任意波長半高斯激光 束發(fā)生器，適用于激光物理、原子分子光學(xué)、生物物理、量子信息、光學(xué)測量與探測等需要非 對稱激光光束的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 半高斯激光束是一種特殊的非對稱激光束，它的橫向空間光強(qiáng)分布在一個方向為 半個高斯線型，在另外一個正交方向為高斯線型。自I960年激光問世以來，相關(guān)技術(shù)不斷 更新，激光被廣泛的應(yīng)用于人類的生產(chǎn)生活活動之中。常規(guī)基模輸出的激光器以及相關(guān)技 術(shù)和理論研宄飛速發(fā)展，激光應(yīng)用領(lǐng)域得到充分拓展，日趨完善。隨著基礎(chǔ)研宄、工業(yè)生產(chǎn) 的迅猛發(fā)展，人們對特殊強(qiáng)度分布的激光場的需求越來越多，其中包括對稱分布的空心光 束，平頂光束，貝塞爾光束，非對稱分布的艾里光束，半高斯光束等。因為半高斯激光束在應(yīng) 用光學(xué)以及基礎(chǔ)物理研宄領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。例如，利用半高斯激光束在非線性克爾介質(zhì) 中的自彎曲現(xiàn)象，可以用來探測介質(zhì)的非線性折射率，也可以將其構(gòu)建光電傳感器，也可以 將其用于冷原子分子氣體密度的測量。利用半高斯激光束可以實現(xiàn)原子分子、介質(zhì)粒子、生 物分子、電子束等的光學(xué)微操控，其中包括原子分子反射鏡、原子分子束能量低通濾波器、 介質(zhì)粒子以及生物分子囚禁、電子束加速器或者減速器等器件的構(gòu)件。通常產(chǎn)生半高斯激 光束的方法有兩種，一種是在高斯激光束的中心垂直插入不透明片（刀片））的方法截去高 斯激光束的一半，得到帶有衍射條紋的半高斯激光束。根據(jù)光學(xué)知識知道，由于激光的相干 性，這種方法得到的半高斯激光束具有很多振蕩的衍射條紋，并不是真正的半高斯激光束。 另一種方法是在2011年發(fā)明的采用側(cè)向調(diào)制的周期性極化的LiTaO3晶體進(jìn)行頻率變換 以及光束整形，得到532nm半高斯激光束（見專利《532nm半高斯激光束發(fā)生器》，專利號： 201110005840. 3)。該發(fā)明的核心部分是側(cè)向調(diào)制的周期性極化晶體，該晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)與 入射光源的波長相關(guān)，也就是說若要更換產(chǎn)生的半高斯激光束的波長，晶體也要相應(yīng)重新 加工。另外該技術(shù)產(chǎn)生的半高斯激光束在自由空間傳輸時會發(fā)生衍化。因此促使不斷技術(shù) 革新，開發(fā)出一種便捷、固化、適用范圍廣、能產(chǎn)生在自由空間可以穩(wěn)定傳輸?shù)陌敫咚辜す?束的技術(shù)，并將該半高斯激光束發(fā)生器技術(shù)進(jìn)行商品化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的在于提供一種能產(chǎn)生任意波長的半高斯激光束的發(fā)生器，解決上述提 出的傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的半高斯激光束具有衍射條紋的缺點，以及側(cè)向調(diào)制的光學(xué)超晶格產(chǎn)生 無衍射條紋的半高斯激光束的波長選擇性以及傳輸穩(wěn)定性問題。該任意波長的半高斯激光 束發(fā)生器設(shè)計簡單便捷、易于實施、適用波長范圍廣，產(chǎn)生的半高斯激光束在自由空間傳輸 保持穩(wěn)定，因此可以廣泛用于激光物理、原子分子光學(xué)、生物物理、量子信息、光學(xué)測量與探 測等領(lǐng)域。
[0004] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案達(dá)到上述目的：
[0005] -種任意波長半高斯激光束發(fā)生器，它包括入射激光光源、準(zhǔn)直系統(tǒng)、相干度衰減 器及不透明片（刀片），相干度衰減器由馬達(dá)帶動旋轉(zhuǎn)的壓在兩塊圓形有機(jī)玻璃中間的同 尺寸形狀的薄膜組成，任意波長的入射激光光源發(fā)出的高斯激光入射到準(zhǔn)直系統(tǒng)、經(jīng)準(zhǔn)直 之后的高斯激光經(jīng)相干度衰減器之后轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠窒喔晒?，不透明片（刀片）邊緣通過準(zhǔn)直 的入射的高斯激光束的中心；在不透明片（刀片）后面空間一段范圍內(nèi)得到與入射激光光 源波長一致的無衍射條紋的純凈半高斯激光束。
[0006] 所述入射激光光源出射的激光模式是TEM(I(I模，光強(qiáng)分布為高斯型，波長根據(jù)所需 任意選擇。
[0007] 所述準(zhǔn)直系統(tǒng)將入射激光束準(zhǔn)直為平行光束，且可設(shè)置為不同的放大倍率，將入 射光束擴(kuò)束或者縮束到應(yīng)用所需要的光束束腰大小。準(zhǔn)直系統(tǒng)是由兩個常規(guī)圓透鏡組成， 圓透鏡的焦距可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇和搭配，從而實現(xiàn)入射高斯激光束的不同倍率的擴(kuò)束 或者縮束，得到不同空間尺寸的高斯激光束，同時也拓寬了所產(chǎn)生的半高斯激光束的空間 尺度范圍。
[0008] 所述入射激光光源波長為任意的，工作模式是連續(xù)的或脈沖的，偏振態(tài)是任意的 線偏振、圓偏振或者橢圓偏振，輸出光亦為相應(yīng)任意波長的、連續(xù)的或脈沖的，與入射激光 同偏振的半高斯激光束。
[0009] 所述相干度衰減器由以下三部分構(gòu)成：兩片圓形有機(jī)玻璃、一片圓形薄膜、馬達(dá)。 薄膜夾在兩片有機(jī)玻璃中間，整體固定在馬達(dá)轉(zhuǎn)軸上，并由馬達(dá)帶動整體旋轉(zhuǎn)，構(gòu)造簡單， 造價便宜。由于薄膜平面內(nèi)的薄膜厚度存在激光波長量級的隨機(jī)起伏，當(dāng)激光光束通過薄 膜時，光束橫向場的不同位置光程不同，因此光場的相位得到調(diào)制。根據(jù)統(tǒng)計光學(xué)可知，當(dāng) 薄膜旋轉(zhuǎn)之后，光束也由相干光轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠窒喔晒狻Ｏ喔啥人p器適用于任意波長、任意工 作模式的入射激光光源，在更換入射激光光源時不需要更換相干度衰減器，該光束整形技 術(shù)適用范圍廣。
[0010] 所述產(chǎn)生的半高斯激光束在自由空間傳輸時無衍射，繼續(xù)保持半高斯形狀的強(qiáng)度 分布，也就是空間傳輸具有穩(wěn)定性，具有更高的應(yīng)用價值。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是：利用相干度衰減器改變激光光束性質(zhì)，降低其相干度，實現(xiàn) 一種任意波長的新型的全固態(tài)的半高斯激光束發(fā)生器的研制。該相干度衰減器結(jié)構(gòu)簡單， 部件便于加工，造價低。另外產(chǎn)生的半高斯激光束在自由空間傳輸特性穩(wěn)定，利用價值高。 本發(fā)明沒有復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，原理及裝置簡單、成本較低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、光束傳輸穩(wěn)定，是一 種新型的全固態(tài)的激光器系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2中（a)本發(fā)明的顯微鏡拍攝的相干度衰減器薄膜圖；(b)相干度衰減器實物 圖；
[0014] 圖3中（a)本發(fā)明實施例的不透明片（刀片）后端2cm處632. 8nm入射高斯激光 束的三維強(qiáng)度分布圖；(b) -維強(qiáng)度分布曲線圖；
[0015] 圖4中（a)本發(fā)明實施例獲得的不透明片（刀片）后端2cm處的632. 8nm半高斯 激光束的三維強(qiáng)度分布曲線圖；(b) -維強(qiáng)度分布曲線圖；（c) IOcm處的632. 8nm半高斯激 光束的三維強(qiáng)度分布曲線圖；（d) -維強(qiáng)度分布曲線圖。
【具體實施方式】
[0016] 結(jié)合技術(shù)方案和說明書附圖，詳述本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0017] 以波長為632. 8nm的氦氖激光作為入射激光光源為例：
[0018] (1)本發(fā)明實施的相干度衰減器設(shè)計如下：
[0019] 擬用光學(xué)原理的知識以及波動光學(xué)的處理辦法，理論上分析本發(fā)明產(chǎn)生半高斯激 光光束的基本原理。定義相干度衰減器和不透明片（刀片）所在平面的坐標(biāo)為（Χ〇，、〇)， 刀片之后距離Z處空間的平面的坐標(biāo)為（X，y，ζ)。入射到相干度衰減器平面的準(zhǔn)直高斯光 束的光場復(fù)振幅Uci (Xci, Ytl, 0)為：
[0020]
⑴
[0021] 其中^為準(zhǔn)直激光光束的束腰半徑，
·是與激光功率和光束束腰半徑有 關(guān)的復(fù)振幅
[0022] 系數(shù)，P為激光的功率。插入準(zhǔn)直高斯光束中心的不透明片（刀片）的透過率函 數(shù)t (Xtl, Ytl, 0)為階梯函數(shù)：
[0023]
⑵
[0024] 借助相干度衰減器給激光場引入一個隨機(jī)相位Φ (?,、0, t)，讓本來步調(diào)一致的 激光變得沒有規(guī)律。相干度衰減器與不透明片（刀片）合起來的透