本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種利用Airy光束光強(qiáng)分布規(guī)律直接測(cè)量其衰減因子的裝置和方法。

背景技術(shù)：

M.V.Berry和N.L.Balazs在量子力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)理論性地提出了Airy波包的概念（參見論文《Nonspreading wave packets》，Am. J. Phys. Vol. 47, 264–267）。Airy波包是一種無(wú)衍射的波包，并且可以在空間中沿著一條曲線傳播，這種特殊的傳播特征使這種波包具有廣泛的應(yīng)用前景。但是由于這種無(wú)衍射波包攜帶有無(wú)窮大的能量，所以在當(dāng)時(shí)無(wú)法在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。2007年，G. A. Siviloglou和D. N. Christodoulides等人將這種無(wú)衍射波引入光學(xué)領(lǐng)域（參見論文《Observation of Accelerating Airy Beams》，Phys. Rev. Lett. Vol. 99,213901和《Accelerating finite energy Airy beams》，Optics Letters, Vol. 32, 979），他們利用光學(xué)“截趾”，將光束能量約束為有限能量，并且在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了Airy光束的產(chǎn)生。由于Airy光束具有無(wú)衍射特性，并且在空間中傳播時(shí)具有橫向自由加速和自愈的特點(diǎn)，因此對(duì)于Airy光束的研究逐漸成為研究熱點(diǎn)，并且對(duì)于Airy光束的研究也逐漸應(yīng)用到其它領(lǐng)域，比如光鑷和微粒操控，表面等離子體激元，真空電子加速等。

目前實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的Airy光束均為有限能量的無(wú)衍射光束，理論上是通過(guò)一個(gè)指數(shù)衰減項(xiàng) 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束能量“截趾”，其中是衰減因子。衰減因子的大小直接影響了Airy光束的無(wú)衍射傳播，以及光強(qiáng)分布。衰減因子是表征Airy光束的一個(gè)十分重要的參數(shù)，因此對(duì)衰減因子的精確測(cè)量就顯得至關(guān)重要。

目前，對(duì)Airy光束衰減因子的精確測(cè)量并沒(méi)有有效的方法，因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)Airy光束衰減因子的精確測(cè)量是光學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域面臨的一個(gè)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為：提供一種能夠利用光強(qiáng)比直接測(cè)量Airy光束衰減因子的裝置和方法，以提高對(duì)于Airy光束性質(zhì)和應(yīng)用的把握。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種利用光強(qiáng)比測(cè)量Airy光束衰減因子的裝置，該測(cè)量裝置包括激光器、透射式空間光調(diào)制器、傅里葉透鏡、CCD相機(jī)和計(jì)算機(jī)，所述的透射式空間光調(diào)制器和傅里葉透鏡均設(shè)置在激光器所發(fā)出光束的直線光路上，且透射式空間光調(diào)制器到傅里葉透鏡的距離為傅里葉透鏡的焦距，使激光器所發(fā)出的光束在依次通過(guò)透射式空間光調(diào)制器和傅里葉透鏡后能夠在傅里葉透鏡的焦平面位置生成Airy光束，所述的CCD相機(jī)設(shè)置在傅里葉透鏡的焦平面位置，用于記錄Airy光束的光強(qiáng)分布，且該CCD相機(jī)和透射式空間光調(diào)制器均與計(jì)算機(jī)連接。

所述的透射式空間光調(diào)制器上加載有計(jì)算全息片。

一種能夠利用光強(qiáng)比直接測(cè)量Airy光束衰減因子的方法，包括調(diào)解出Airy光束的步驟；對(duì)Airy光束的光強(qiáng)分布圖進(jìn)行采集的步驟；利用計(jì)算機(jī)軟件Matlab對(duì)光強(qiáng)分布圖進(jìn)行分析、記錄的步驟；以及利用所記錄的坐標(biāo)信息和光強(qiáng)信息進(jìn)行Airy光束的衰減因子計(jì)算的步驟；

所述調(diào)解Airy光束的步驟由激光器將其發(fā)出的光束依次通過(guò)透射式空間光調(diào)制器和傅里葉透鏡后產(chǎn)生，且透射式空間光調(diào)制器到傅里葉透鏡的距離為傅里葉透鏡的焦距；

所述對(duì)Airy光束的光強(qiáng)分布圖進(jìn)行采集的步驟由設(shè)置在傅里葉透鏡焦平面位置的CCD相機(jī)對(duì)Airy光束的光強(qiáng)分布進(jìn)行影像記錄后，傳輸給計(jì)算機(jī)得到；

所述利用計(jì)算機(jī)軟件Matlab對(duì)光強(qiáng)分布圖進(jìn)行分析、記錄的步驟包括利用計(jì)算機(jī)軟件Matlab對(duì)光強(qiáng)分布圖中主光斑位置、次級(jí)光斑位置和第三級(jí)光斑位置的光強(qiáng)值以及位置坐標(biāo)進(jìn)行記錄的操作；

所述Airy光束的衰減因子計(jì)算的步驟由以下公式計(jì)算得到：

其中，為Airy光束在x方向上主光斑位置的光強(qiáng)值，為Airy光束在x方向上主光斑位置的位置坐標(biāo)，為Airy光束在x方向上次級(jí)光斑位置的光強(qiáng)值，為Airy光束在x方向上次級(jí)光斑位置的位置坐標(biāo)，為Airy光束在x方向上第三級(jí)光斑位置的光強(qiáng)值，為Airy光束在x方向上第三級(jí)光斑位置的位置坐標(biāo)，為Airy光束的橫向尺度因子，為Airy光束的衰減因子。

本發(fā)明的測(cè)量方法的原理是：

在光學(xué)領(lǐng)域，傍軸近似下的波動(dòng)方程為

.....................................(1)

其中， k為光場(chǎng)波失。根據(jù)傍軸方程（1），有限能量Airy光束的光場(chǎng)表達(dá)式為，

...(2)

其中，為Airy函數(shù)，為無(wú)量綱的橫向坐標(biāo)，為光束的橫向尺度因子，表示歸一化的傳播距離，為Airy光束的衰減因子。為是虛部因子，在處，光場(chǎng)可以表示為

.....................................(3)

可以將光場(chǎng)寫成

....................................................(4)

其中，，表示Airy光束在x和y方向上的光場(chǎng)。由此可以得到在x方向上Airy光束的光強(qiáng)分布，和在y方向上Airy光束的光強(qiáng)分布。Airy光束在x方向上主光斑光強(qiáng)最大值，位置為，次級(jí)光斑光強(qiáng)最大值，位置為，第三級(jí)光斑光強(qiáng)最大值，位置為，光強(qiáng)比可以表示為

.......(5)

利用公式(5)可以知道，只需要確定出Airy光束在位置的不同光斑的最大光強(qiáng)之比，并且確定出光強(qiáng)最大的位置坐標(biāo)，就可以確定出Airy光束的衰減因子以及光束的橫向尺度因子。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的測(cè)量裝置所用組件普遍、基礎(chǔ)，操作簡(jiǎn)單、方便，使光路具有簡(jiǎn)潔、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)光強(qiáng)分布點(diǎn)的坐標(biāo)，以及分析光強(qiáng)比值與Airy光束的衰減因子之間存在直接對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)Airy光束衰減因子和橫向尺度因子的可靠測(cè)量。測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)處理程序簡(jiǎn)單，結(jié)果真實(shí)可靠，對(duì)于光鑷、微粒操控、表面等離子體激元、真空電子加速等Airy光束的應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要意義，應(yīng)用范圍廣。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中Airy光束在位置的光強(qiáng)分布圖；

附圖標(biāo)記：1、激光器，2、透射式空間光調(diào)制器，3、傅里葉透鏡，4、CCD相機(jī)，5、計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式：

如圖所示，本發(fā)明是利用Airy光束的光強(qiáng)分布特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減因子的精確測(cè)量的。具體就是將激光器1產(chǎn)生的激光束照射在已經(jīng)加載計(jì)算全息片的透射式空間光調(diào)制器2上，而后光束經(jīng)過(guò)一個(gè)傅里葉透鏡3，并在傅里葉透鏡3的焦平面位置生成Airy光束，透射式空間光調(diào)制器2與傅里葉透鏡3之間的距離為傅里葉透鏡3的焦距。在傅里葉透鏡3的焦平面位置放置CCD相機(jī)4，用CCD相機(jī)4對(duì)Airy光束的光強(qiáng)分布進(jìn)行記錄，記錄的光強(qiáng)數(shù)據(jù)信息都由計(jì)算機(jī)4控制處理。通過(guò)分析Airy光束的光強(qiáng)信息來(lái)測(cè)量Airy光束的衰減因子。同時(shí)，也可以測(cè)量出Airy光束的橫向尺度因子。

本發(fā)明所涉及的Airy光束衰減因子的測(cè)量方法，具體測(cè)量步驟如下：

（1）在光路上依次設(shè)置好透射式空間光調(diào)制器、傅里葉透鏡、CCD相機(jī)，將由計(jì)算機(jī)生成的計(jì)算全息圖寫入透射式空間光調(diào)制器；

（2）打開激光器，激光束照射寫入計(jì)算全息圖的透射式空間光調(diào)制器上，經(jīng)過(guò)傅里葉透鏡后，在焦平面位置產(chǎn)生待測(cè)Airy光束；

（3）在傅里葉凸透鏡的焦平面位置放置CCD相機(jī)，記錄Airy光束的光強(qiáng)分布圖并存儲(chǔ)進(jìn)計(jì)算機(jī)；

（4）利用計(jì)算機(jī)軟件Matlab分析Airy光束的光強(qiáng)分布圖，找出主光斑光強(qiáng)最大的位置以及次級(jí)光斑光強(qiáng)最大的位置，并利用Matlab軟件確定光強(qiáng)最大的位置坐標(biāo)，并且記錄各個(gè)不同位置光強(qiáng)比值；

（5）對(duì)所記錄的坐標(biāo)信息和光強(qiáng)比值進(jìn)行分析即可得到Airy光束的衰減因子；

如圖2所示，它是Airy光束在位置的光強(qiáng)與橫向坐標(biāo)關(guān)系圖。是橫向x方向主斑光強(qiáng)最大的位置，是橫向x方向次級(jí)斑光強(qiáng)最大的位置，橫向x方向第三級(jí)斑光強(qiáng)最大的位置。

本發(fā)明對(duì)Airy光束衰減因子的測(cè)量方法，其主要步驟如下：

（1）在激光器1發(fā)出光束前進(jìn)的方向上放置透射式空間光調(diào)制器2，傅里葉透鏡3和CCD相機(jī)4；

（2）利用計(jì)算機(jī)全息術(shù)生成Airy光束的相位全息圖，寫入透射式空間光調(diào)制器1；

（3）光束照射在透射式空間光調(diào)制器2上，在傅里葉透鏡3的后焦平面位置利用CCD相機(jī)4記錄Airy光束的光強(qiáng)信息，并保存圖片到計(jì)算機(jī)5；

（4）利用Matlab軟件分析Airy光束的光強(qiáng)分布圖，并將圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖。利用Matlab軟件分析確定主斑光強(qiáng)最大的位置、次級(jí)斑光強(qiáng)最大的位置，以及第三級(jí)光斑光強(qiáng)最大的位置；

（5）利用公式（5）提供的光強(qiáng)比與衰減因子和橫向尺度因子之間的關(guān)系，可以得到Airy光束衰減因子和橫向尺度因子的數(shù)值；

經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明：本發(fā)明裝置及方法可以利用對(duì)Airy光束光強(qiáng)的分析，實(shí)現(xiàn)衰減因子和橫向尺度因子的測(cè)量；并且具有光路簡(jiǎn)潔、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。