随着激光技术的发展及激光应用领域的扩展,新型光束的产生与研究一直是热点研究领域。局域空心光束指的是光强为零或光强较小的区域的四周被光强较大的光场包围的特殊光束,它像一个特殊的“密闭容器”,也被称为“瓶状光束”(bottle beam)^[1]。局域空心光束在微观粒子操控^[2]、激光导管^[3]、光镊^[4]及光学扳手^{[5, 6]}等方面具有广泛应用,因此有关局域空心光束的产生方法一直是众多学者关注的焦点。

目前,产生局域空心光束的方法有很多,如高斯光束与拉盖尔高斯光束干涉法^[1]、端面抽运固体激光器法^{[7, 8]}、轴棱镜法^[9]、莫尔条纹法^[10]和散斑图法^[11]等。但这些方法转换效率低,且产生的暗斑区域光强不够小。为了解决这一问题,本文提出一种基于切趾波带片^{[12, 13, 14]}产生局域空心光束的新方法,并得到暗斑最大半径为50.4 μm的局域空心光束。此方法能量转换效率高、实验装置简单且暗斑区域光强为零,可以实现光学隐身^{[15, 16]}等方面的应用。

基于相移切趾器原理^{[12, 13, 14]},设计一七环π相移切趾波带片如图 1所示。对于强度分布均匀的光束,当其经波带片与透镜聚焦后,光束的归一化振幅分布为^[12]

图 1

Fig. 1

图 1 七环π相移切趾波带片 Fig. 1 Seven-portion π phase-shifting apodizer zone plate

光束沿光轴(ρ=0)归一化振幅分布为

光束在焦平面(z=0)处沿径向归一化振幅分布为

根据以上理论,模拟准直光束经过七环π相移切趾波带片与透镜聚焦后得到的局域空心光束在光轴面上三维光强分布以及沿轴向一维光强分布如图 2(a)、(b)所示。由图 2可以看出，光束在距离焦点简化长度0~10范围内光强为零,而在距离焦点简化长度20~30范围内光强较大。因此局域空心光束在轴向具有焦点附近光强为零、较远位置光强较大的特点,表现出光束沿轴向的“密闭性”。

图 2

Fig. 2

图 2 局域空心光束沿轴向光强分布 Fig. 2 The intensity distribution along axial direction of bottle beam

局域空心光束在焦平面(z=0)上三维光强分布以及沿径向一维光强分布如图 3(a)、(b)所示。由图 3可以看出，光束在焦平面上距离光轴简化长度0~8范围内光强为零,而在距离光轴简化长度分别为15、19时均出现光强极大值,而后光强减弱。因此局域空心光束在径向具有光轴附近光强为零、较远位置光强较大的特点,表现出光束沿径向的“密闭性”。

图 3

Fig. 3

图 3 局域空心光束沿径向光强分布 Fig. 3 The intensity distribution along radial direction of bottle beam

根据以上理论,从实验中可产生局域空心光束,实验装置如图 4所示。He-Ne激光器出射波长为632 nm线偏振光,经扩束准直后得到光斑半径为4.32 mm,再经衰减片与分光棱镜后入射到空间光调制器液晶屏上。此处选用Holoeye公司Pluto型纯相位空间光调制器,其液晶屏像素个数为1 920×1 080,像素大小为8 μm,有效面积为15.36 mm×8.64 mm。基于图 1结构制作的波带片相位如图 5(a)所示,其最大半径恰好匹配液晶屏宽度,波带片之外为光栅相位,用于消除零级衍射误差。聚焦透镜利用空间光调制器自带的透镜相位,当其相位值为正值时,其调制作用相当于一凹面镜。根据波带片结构,并经过多次实验尝试选用相位值为20的透镜相位,如图 5(b)所示,并通过实验测得焦距为36.2 cm,其对应的凹面镜数值孔径为0.01。将波带片相位(图 5(a))与透镜相位(图 5(b))叠加得到如图 5(c)相位图,将其加载于空间光调制器液晶屏上,并对入射光束进行调制与聚焦,会聚光束经分光棱镜反射后聚焦。而后,利用CCD探测光束在焦点附近的强度分布。

图 4

Fig. 4

图 4 实验装置图 Fig. 4 Experiment setup

图 5

Fig. 5

图 5 液晶屏上加载的相位图 Fig. 5 Phase diagram load on LCOS

局域空心光束在实际坐标Z=1.5、1.0、0.5、0 cm处光强分布的理论值与实验值如图 6所示。当Z=1.5、1.0 cm时,光束中心为亮斑,其半径分别为21.0、16.8 μm;当Z=0.5、0 cm时,光束中心为暗斑,暗斑半径分别为31.5、50.4 μm,且暗斑光强为零。可以看出,沿轴向距离焦点位置越来越近时,光束中心由亮斑逐渐变为暗斑且暗斑半径越来越大,在焦点处达到最大值。而后,随着距离焦点位置越来越远,光强分布呈现与之前相反的变化规律。因此,局域空心光束在焦点处暗斑最大,远离焦点时暗斑逐渐变小直至出现亮斑,这再次验证了局域空心光束的三维“密闭性”。实验值与理论值基本吻合,只是实验观察到的亮环较暗且只表现出内部亮环,而外部亮环没有出现,这主要是为了不使光束强度超过CCD损伤阈值,使用衰减片对光强进行减弱,因此亮环变暗,又由于外部亮环光强本身较小,衰减后自然没有出现。

图 6

Fig. 6

图 6 局域空心光束在实际坐标Z=1.5、1.0、0.5、0 cm处的强度分布 Fig. 6 The intensity distribution of bottle beam at genuine axial coordinate Z=1.5,1.0,0.5,0 cm

本文提出了一种基于切趾波带片产生局域空心光束的新方法,并在实验中利用空间光调制器产生暗斑最大半径为50.4 μm的局域空心光束。由于波带片相位与透镜相位参数可以修改,该方法具有灵活性强、操作简单且光能量转换效率高等优点,又由于光束暗斑光强为零,故可应用于光学隐身等方面的研究。