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激光结构光的原理、设计和类型详解

时间:2020-04-08 12:08:13 来源:小思 点击:71次

梅曼的个光腔具有制造激光器所需的三个核心部分一种增益介质,一种激发它的手段,以及一个光学谐振器,谐振模式的空间分布由平-平法布里-珀罗(FP)腔内的衍射"塑造"。


起初,人们认为只有平面波会在这样的空腔中共振,几乎没有余地对输出光的空间分布进行“裁剪”。


在这项开创性的工作之后,研究人员开始思考如何控制输出场的结构形态,并成功展示了通过幅度滤波进行空间模式的控制,随后使用相位滤波也实现了类似的效果,最近又结合了更多的自由度,如光的自旋和轨道角动量,并逐步朝着直接在光源处进行完全模式控制的最终目标迈进。





02

什么是结构光?



结构光来源于在空间和时间上定制 ”光场的能力,前者是指对光场的振幅(强度)、相位(波前)和偏振的控制,而后者是指对光场的时间和频谱的控制。


结构光已经逐渐发展成为光学领域中一种重要的工具,在成像、显微镜检测、激光材料加工以及光通信等众多领域中展现出巨大的应用前景。       

图一.  各种形式的结构光的示例



03

如何在激光器外部和内部产生结构光? 




3.1
设计方法
3.1.1 外部构建结构光


绝大多数结构光是在光源外部构建的标量场。有多种方法可以实现此目的,如图2所示,根据允许的骤数、要控制的自由度以及可接受的损耗量进行选择。

 

种外部构建结构光的方法如2a所示

单步式有损耗复振幅调制方法,可以对近场相位和振幅进行控制。使用透镜组将输出平面中继到所需的位置,同时透镜组还充当空间滤波器以去除不需要的光。此时输出远场的相位和振幅都已构造成所需的轮廓。

 

第二种外部构建结构光的方法如2b所示

单步式无损耗纯相位调制方法,可对输出远场振幅或近场相位进行整形,此时输出远场的相位未受控制。

 

第三种外部构建结构光的方法如2c所示

两步式无损耗纯相位调制方法,可对输出远场中的相位和振幅进行整形。个元件构造所需的振幅,第二个元件校正相位。

图二.  激光器外部构建结构光的方法

 


3.1.2 内部构建结构光


在谐振腔内部产生结构光的方法之间区别很大,这里我们以简单的FP谐振腔为例进行介绍。基本的想法就是找到谐振腔的基本共振模式,即在每次往返之后以更低损耗重复的模式。

 

种内部构建结构光的方法如3a所示,   

单步式有损耗振幅调制方法,通过在谐振腔内部放置一个振幅掩膜版,可以在空间上控制增益或损耗,以选择所需的模式。

 

第二种内部构建结构光的方法如3b所示

分级相位镜调制方法, 可以设计一个分级相位反射镜,通过相位控制产生一个谐振腔的共振模式,通常也要结合一些振幅控制。

 

第三种内部构建结构光的方法如图3c所示

两步式无损耗纯相位调制方法, 类似于第三种外部构建结构光的方法,将外部两步整形方法插入激光腔内部,以实现内部结构光的构建。

图三.  激光器内部构建结构光的方法

 


3.2
实施方案


早期的结构光仅利用透射掩模进行振幅控制,而后期则采用计算机生成的全息图(CGH)进行相位控制。CGH利用空间变化的深度d(x,y)来调整(动力学)相位。


随后空间光调制器(SLM)的出现使深度得以保持固定,取而代之的是变化每个像素的局部折射率n(x,y)。


SLM的出现使得结构光得到快速发展,激发了无数的应用,尤其是在光通信、量子光学、成像、显微镜、激光材料加工以及光学捕获和光镊等领域。


目前已经能够仅使用两个SLM实现对光的偏振、相位和振幅的完全控制,以构建奇特的结构光图案。通过分别构造每个偏振分量,然后通过干涉法将其组合,也是使用动力学相位来构建矢量光束的一种方式。


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