本發(fā)明涉及激光光束調(diào)控，具體涉及一種產(chǎn)生多邊形自聚焦光束的方法。

背景技術(shù)：

1、自聚焦光束是一種在傳輸過程中不需要經(jīng)過透鏡便可以自動會聚的結(jié)構(gòu)光束。圓艾里光束是一種典型的自聚焦光束，在光通信、光學微操縱、光學成像等方面展現(xiàn)出廣闊的應用前景，從而引起了人們的廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)代光學愈發(fā)多樣的應用場景，所需的光束結(jié)構(gòu)越發(fā)豐富，由此亟需對圓艾里光束結(jié)構(gòu)進行的塑形以拓寬其在微粒操縱、激光生物醫(yī)學等領(lǐng)域的應用。

2、近年來，基于圓艾里光束的理論模型，研究者們提出了多種改進圓艾里光束的方法。改進艾里光束的方法主要分為兩大類，一類是純相位函數(shù)調(diào)制，如渦旋相位調(diào)制圓艾里光束[optics?letters?2011,?36(9):?1617-1619]、二次相位調(diào)制圓艾里光束[opticsexpress?2024,?32(14):?25261]、旋轉(zhuǎn)變焦渦旋相位調(diào)制圓艾里光束[optics?express2024,?32(4):?6178]等；另一類是復振幅函數(shù)調(diào)制，如雙環(huán)圓艾里高斯光束[opticsexpress?2024,?32(25):?44908]、圓環(huán)超高斯艾里光束[optics?express?2025,?50(10):3401]等。隨著光學應用領(lǐng)域的不斷拓展，對光束形狀和分布的精確控制提出了更高的要求。例如，在光學微操縱中，復雜的光束形狀可以提高對微小粒子的捕獲效率；在光通信中，多樣化的光束模式可以增加信息傳輸?shù)娜萘亢桶踩浴?/p>

3、綜上所述，開發(fā)一種能夠靈活地產(chǎn)生具有復雜形狀（如幾何多邊形）的自聚焦光束的方法，以滿足前沿應用對復雜結(jié)構(gòu)光束日益增長的需求具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種產(chǎn)生多邊形自聚焦光束的方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明為解決上述問題所采用的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明提供一種產(chǎn)生多邊形自聚焦光束的方法，包括如下步驟：

4、s1、結(jié)合艾里函數(shù)、高斯函數(shù)以及幾何多邊形函數(shù)，預先設計多邊形自聚焦光束的振幅和相位；

5、s2、利用菲涅爾衍射積分在傍軸近似下，分析光束在自由空間中的傳輸特性；

6、s3、使用復振幅整形方法計算產(chǎn)生相位全息圖，并加載到空間光調(diào)制器；

7、s4、開啟激光器發(fā)射高斯光束；

8、s5、高斯光束通過偏振片，調(diào)整偏振方向與空間光調(diào)制器的偏振方向一致；

9、s6、使用由物鏡、針孔和透鏡相組合的擴束系統(tǒng)對偏振處理后的高斯光束進行準直擴束處理；

10、s7、擴束后的高斯光束照射到空間光調(diào)制器的液晶屏幕上；

11、s8、光束經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制后，獲得多邊形自聚焦光束；

12、作為優(yōu)選方案，多邊形自聚焦光束的具體調(diào)控過程為：

13、多邊形自聚焦光束在初始平面的表達式為，

14、

15、其中，表示初始平面上的坐標，為振幅，表示艾里函數(shù)，r表示光束第一個主環(huán)半徑，表示半徑，表示調(diào)整初始強度分布的橫向尺度因子，表示指數(shù)衰減因子；用于調(diào)制光強形狀的幾何多邊形函數(shù)，其中，表示拓撲荷、決定多邊形自聚焦光束的邊與邊之間連接處的平滑程度，決定多邊形自聚焦光束的邊數(shù)，的值代表多邊形自聚焦光束幾何邊數(shù)，表示方位角；為高斯函數(shù)，其中，為高斯光束的初始光束寬度；

16、采用菲涅爾衍射積分，可以計算傍軸近似下光束在自由空間的傳輸過程，

17、

18、其中，表示空間坐標，表示波數(shù)，表示波長，表示傳輸距離。

19、設定光束參數(shù)，，，，，，改變值，從而改變多邊形自聚焦光束的幾何形狀的邊數(shù)；當，光束的形狀為三邊形，焦距為；當，光束的形狀為三邊形，焦距為；當，光束的形狀為三邊形，焦距為。

20、還包括：利用準直擴束后的光束照射到加載有相位全息圖的空間光調(diào)制器，由空間光調(diào)制器調(diào)制后，即可在自由空間中產(chǎn)生多邊形自聚焦光束。

21、本發(fā)明的技術(shù)效果：本發(fā)明所產(chǎn)生的多邊形自聚焦光束，其光強在垂直于光軸方向具有多邊形分布的特點，在沿著光軸的方向具有自聚焦特性。相比于傳統(tǒng)的圓艾里光束，具有更多樣的結(jié)構(gòu)和更多的自由度，顯著提升了光束結(jié)構(gòu)的可控性。因而在微操縱領(lǐng)域具有非常重要的應用前景。

22、上述內(nèi)容為本發(fā)明技術(shù)方案的簡要概述，為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需使用的附圖做簡單地介紹，顯而易見，下面描述中的附圖僅僅是發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

技術(shù)特征：

1.一種產(chǎn)生多邊形自聚焦光束的方法，其特征在與，包括如下步驟：

2.多邊形自聚焦光束的具體調(diào)控過程為：

3.其中，表示初始平面上的坐標，為振幅，表示艾里函數(shù)，r表示光束第一個主環(huán)半徑，表示半徑，表示調(diào)整初始強度分布的橫向尺度因子，表示指數(shù)衰減因子；用于調(diào)制光強形狀的幾何多邊形函數(shù)，其中，表示拓撲荷、決定多邊形自聚焦光束的邊與邊之間連接處的平滑程度，決定多邊形自聚焦光束的邊數(shù)，的值代表多邊形自聚焦光束幾何邊數(shù)，表示方位角；為高斯函數(shù)，其中，為高斯光束的初始光束寬度；

4.其中，表示空間坐標，表示波數(shù)，表示波長，表示傳輸距離。

5.能看出光束振幅和相位的分布不僅與值、值以及r值有關(guān)，還與值、值、值以及值有關(guān)。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的產(chǎn)生多邊形自聚焦光束的方法，其特征在于，設定光束參數(shù)，，，，，，改變值，從而改變多邊形自聚焦光束的幾何形狀的邊數(shù)；當，光束的形狀為三邊形，焦距為；當，光束的形狀為三邊形，焦距為；當，光束的形狀為三邊形，焦距為。

7.利用權(quán)利要求1-3任一項所述的產(chǎn)生多邊形自聚焦光束的方法，其特征在于：利用準直擴束后的光束照射到加載有相位全息圖的空間光調(diào)制器，由空間光調(diào)制器調(diào)制后，即可在自由空間中產(chǎn)生多邊形自聚焦光束。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種產(chǎn)生多邊形自聚焦光束的方法及裝置，通過結(jié)合艾里函數(shù)、高斯函數(shù)以及幾何多邊形函數(shù)構(gòu)造光束的復振幅，并利用菲涅爾衍射積分計算傍軸近似下的光場分布，生成一種多邊形自聚焦光束。實驗上，使用復振幅整形算法模擬產(chǎn)生相位全息圖，將獲取的相位全息圖加載到空間光調(diào)制器上；激光器發(fā)射的高斯光束經(jīng)過偏振片和擴束系統(tǒng)后，照射到空間光調(diào)制器調(diào)制后，獲得多邊形自聚焦光束。本發(fā)明產(chǎn)生的多邊形自聚焦光束的光強可任意設定為幾何多邊形，該光束在垂直于光軸的方向具有靈活可控的幾何多邊形分布特點，在沿著光軸的方向具有自聚焦特性。因而這種光束在大容量光信息存儲、光通信以及微粒操縱領(lǐng)域中具有重要的應用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：林丹萍,阮銀蘭
受保護的技術(shù)使用者：桂林電子科技大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/8/28