CN101470269A - 激光远距离传输中央光斑的超分辨压缩振幅光调制器 - Google Patents
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Abstract
一种激光远距离传输中央光斑的超分辨压缩振幅光调制器，利用光子筛技术实现压缩激光远距离传输中央衍射极限光斑主瓣，该调制器置于衍射极限透镜之后，对远场衍射光斑中央主瓣进行几何修正，修正的程度由器件结构决定。本发明的振幅光调制器采用的基于菲涅耳波带片的圆孔分布结构，圆孔位置和大小由设计计算给出。本发明给出了优化后能满足远场衍射主瓣在几何尺寸压缩比约为0.4的光子筛制造参数，并进行了相关模拟实验，验证了采用光子筛技术制作的振幅光调制器可实现激光束远距离传输远场的主瓣的压缩。本发明可用于远距离激光通信的载波光束质量的提高，光盘存储容量的提高，共焦显微分辨率的提高和其它需改变远场衍射光斑主瓣的各种仪器中。
Description
技术领域
本发明涉及激光光束波面整形技术领域，特别是指采用光子筛技术设计的振幅光调制器来实现激光束远距离传输后在远场衍射中央主瓣的几何尺寸压缩。本发明的调制器可用于显微镜质量的改善，光盘存储容量的提高。
背景技术
对激光的远场衍射光斑进行压缩和整形是衍射光学的一个重要内容。因为在远距离激光通讯中，接收端的光斑会随着距离的增加而发散的非常大，从而对这个发散的光斑进行修正就是非常有用的技术。同时，对于远距离的激光发射装置，往往需要有大口径的发射透镜，但仅采用增大发射口径的方法在实际制造中是不现实的，尤其是在空间通讯的技术中，大尺度的发射透镜会带来许多问题。所以，在不减少接收端接收效率的前提下，尽量减少发射端的重量，对于远距离的激光通讯有重要意义。目前没有很好的方法来实现这种远场的载波光束的压缩。
所谓光子筛，是一种新型聚焦成像衍射光学器件，利用它可以对X光聚焦和成像，这是一般棱镜和玻璃材料的成像光学器件无法实现的。光子筛与传统的光学元件Fresnel波带片相比，具有高分辨率和抑制二级衍射主极大等优点，能提高成像的对比度。而且，作为新型衍射元件，它具有体积小、重量轻、易复制等优点。光子筛可以应用于高分辨率显微镜、天文望远镜、下一代光刻，激光可控核聚变(ICF)研究等。在2001年，Kipperet al.首次提出了一种新型的衍射光学器件：光子筛，用它来对软X射线和EUV辐射光源聚焦和成像[Kipp，L.，Skibowski，M.，Johnson，R.L.，Berndt，R.，Adelung，R.，Harm，S.，and Seemann，R.Sharper imagesby focusing soft X-ray with photon sieves.Nature[J]，2001.414，184-188.]。2003年Gil and Menon报道在“光束扫描光刻”(ZPAL)***中用光子筛替代波带片[Menon，R.，Gil，D.Barbastathis，G.，andSmith，H.I.Photon-sieve lithography[J].Opt.Soc.Am.A，2005.22(2)，342-345.]。此后，由于光子筛本身具有的优越的性能，人们对它越来越感兴趣，并将它应用于各种新的研究领域，如环绕太阳卫星的EUV望远镜，THZ波全息术等[S.Wang and X.Zhang.Terahertztomographic imaging with a Fresnel lens[J].Opt.Photon.2002.News13，59]。光子筛(Photon Sieve，PS)是在菲涅耳波带环上制作大量适当分布的具有不同半径的透光微孔的衍射光学元件(Diffraction OpticalElement，DOE)。光子筛在软X射线、极紫外线的聚焦和成像上有很好的应用，可应用于高分辨率显微术、光谱学、下一代光刻等领域。用光子筛(PS)代替菲涅耳波带片Fresnel zone plate(FZP)对软X射线聚焦和成像，可以得到更高的分辨率，降低对光刻技术制作工艺的要求。但是光子筛聚焦的光斑可以作进一步的压缩。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光远距离传输中央光斑的超分辨压缩振幅光调制器，调制器本质上是光子筛，将其放置在激光发射端口，即可以在不显著增大发射透镜的前提下，实现特定分布的远场衍射光斑，从而对远场衍射斑进行压缩，并使发射头的体积减小。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光远距离传输中央光斑的超分辨压缩振幅光调制器，用于实现激光远场衍射光斑的超分辨压缩，其调制器是有一定振幅调制图样分布的基片，基片一般由各向同性的介质构成，通过基片表面的圆孔结构对入射到基片上的光束波前进行振幅调制。
所述的振幅光调制器，其所述基片，为菲涅耳波带片，多数个圆孔分布在菲涅耳波带片的奇数或偶数环带上，圆孔是透光的，每一环带内多数个圆孔的大小受限于波带片的环宽，波带片其它部分不透光。
所述的振幅光调制器，其所述多数个圆孔在菲涅耳波带片的奇数或偶数环带上，为多数个圆孔全部在奇数环带上，或多数个圆孔全部在偶数环带上，相间设置。
所述的振幅光调制器，其所述每一环带内多数个圆孔的大小，圆孔直径为环宽的1.5倍，最外环环带的半径取决于衍射孔径的大小。衍射孔径的大小由实际应用给出。
所述的振幅光调制器，其所述各向同性的介质，为普通玻璃。
本发明把光子筛技术创造性的用在远距离激光通讯的远场的光斑压缩中，并给出了相应器件的制造参数。本发明的器件结构类似于菲涅耳波带片，但是菲涅耳波带片完成的是光束的聚焦，不能对远场的光束的衍射图进行几何变换，并且其对光束的聚焦限制在经典衍射极限的变换范围以外，所以不能用于远距离的激光衍射图波面整形。光子筛可以有效地聚焦并且抑制旁瓣的大小，并且衍射的主瓣在衍射极限以内，是一种超分辨技术。
本发明技术可用于远距离激光通信的载波光束质量的提高，光盘存储容量的提高，共焦显微分辨率的提高和其它需改变远场衍射光斑主瓣的各种仪器中。
附图说明
图1采用超分辨技术实现压缩远场激光衍射主瓣尺寸的光路示意图；
图2本发明设计的基于50环菲涅尔波带片的光子筛振幅光调制器的示意图；
图3采用光子筛振幅光调制修正技术后激光束远场光强的分布的示意图和不采用任何技术的激光远场圆孔径衍射的爱里斑对照图；
图4采用光子筛的衍射斑和爱里斑的实验对比图；
图5实验和仿真的采用光子筛的衍射斑和爱里斑的光强强度对比图。
具体实施方式
本发明把能够压缩远场光斑的光子筛技术，用在远距离激光通讯的光束整形上。见图2，为本发明设计的基于50环菲涅尔波带片的光子筛振幅光调制器3的示意图。光子筛振幅光调制器3为在菲涅耳波带片的平板上按规律分布多数个圆孔，其中圆孔的振幅透过率为1，除了圆孔其他部分不透光，振幅透过率为0。多数个圆孔满足一定的分布：分别分布在菲涅尔圆环位置的奇数(或偶数)环带上，圆孔的大小满足相应每一个菲涅耳圆环宽度的1.5倍。
制造光子筛振幅光调制器3，是利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术来实现的。首先，利用电子束直写法制作出母版，通过接触式光刻法，母版图案转移到了涂在以光学玻璃为基底的光刻胶上。接触曝光的复制误差小于0.5μm。最后，利用感应耦合等离子刻蚀技术，将图案刻蚀到光学玻璃上。
振幅调制改变激光远场分布的实验装置如图1所示，其中，发射激光器1，会聚透镜2，光子筛振幅光调制器3，光探测器4。
在激光器1的激光光路上，顺序设置会聚透镜2、光子筛振幅光调制器3和光探测器4，光探测器4放置在会聚透镜2的焦面上，以测量微米尺度光斑。由激光器1发出的光经过会聚透镜2和光子筛振幅光调制器3在会聚透镜2的焦面上形成经振幅调制的激光远场分布。众所周知，激光的远距离传输后的光场分布等效于激光光场的傅立叶变换，即准直激光通过透镜后在焦平面上的光场分布是光束傅立叶变换的结果。振幅调制技术是通过改变衍射光线传播截面的振幅分布从而实现预期衍射光强分布的技术。
本发明加入了光子筛振幅光调制器3后，衍射光斑的中心主瓣小于爱里斑的大小约0.4倍，即小于通常的经典衍射极限的远场衍射斑的大小。这说明本发明可用于远距离激光通信的载波光束质量的提高，光盘存储容量的提高，共焦显微分辨率的提高和其它需改变远场衍射光斑主瓣的各种仪器中。
光子筛振幅光调制器3参数如下：入射光532纳米，焦距1000微米，总共的微孔数2556，最外环半径1787微米，数值孔径为0.173。该光子筛强度调制器3是基于60环的菲涅尔波带片。本发明实验中央衍射极限的会聚透镜2孔径为1787微米。
本发明采用光子筛技术压缩激光束远场中央主瓣尺寸的大小的试验需要精密的测量仪器才能验证，采用的试验验证***如图1所示。由激光器1发出的已准直的激光，经会聚透镜2和光子筛振幅光调制器3，在会聚透镜2的焦平面上形成激光束的远场衍射光场，这样的远场衍射光场由微小光斑测量***的光探测器4测量出来。首先没有光子筛振幅光调制器3时，可探测到由聚焦透镜2生成的二维爱里斑光强度图像。加入光子筛振幅光调制器3后，可探测到新的光强度图像，请参见图4，左图为爱里斑，右图为光子筛衍射斑，由两幅图像可以比较衍射主瓣的压缩情况。
请参见图3，图中细实线是爱里斑的光强分布。粗实线是放入光子筛调制器后光强的分布。光子筛的参数为：入射光波长632.8纳米，焦距1000000微米，最外环半径5642.9微米，总共的微孔数1779。仿真表明，衍射孔径为5.6429mm时，爱里斑的半高半宽为137.2微米，光子筛光斑的底盘宽度约为88微米，可以明显看到采用了光子筛技术后中央主瓣变小了。
按照图1的光路示意图，布置好模拟测量光路、光源采用绿色激光器，其工作波长是532nm。然后扩束、准直。在实验中所用的聚焦透镜2直径为1.787毫米，数值孔径为0.173，其后放置光子筛振幅光调制器3，然后在聚焦光斑处放置小光斑监测***光探测器4探头，测出光斑的大小。在实验中爱里衍射斑的半高半宽是0.37μm，采用光子筛技术后，其光斑底盘变为0.24μm，和模拟计算的结果基本一致，如图5所示，图中，蓝色为爱里模式下的仿真和实验强度数据，红色为光子筛模式下的衍射斑光强的实验和仿真数据。实验和仿真都证明了采用光子筛振幅光调制器可以实现超分辨的主瓣压缩。
Claims (5)
1.一种激光远距离传输中央光斑的超分辨压缩振幅光调制器，用于实现激光远场衍射光斑的超分辨压缩，其特征在于，调制器是有一定振幅调制图样分布的基片，基片由各向同性的介质构成，通过基片表面的圆孔结构对入射到基片上的光束波前进行振幅调制。
2.根据权利要求1所述的振幅光调制器，其特征在于，所述基片，为菲涅耳波带片，多数个圆孔分布在菲涅耳波带片的奇数或偶数环带上，圆孔是透光的，每一环带内多数个圆孔的大小受限于波带片的环宽，波带片其它部分不透光。
3.根据权利要求2所述的振幅光调制器，其特征在于，所述多数个圆孔在菲涅耳波带片的奇数或偶数环带上，为多数个圆孔全部在奇数环带上，或多数个圆孔全部在偶数环带上，相间设置。
4.根据权利要求2所述的振幅光调制器，其特征在于，所述每一环带内多数个圆孔的大小，圆孔直径为环宽的1.5倍，最外环环带的半径取决于衍射孔径实际的大小。
5.根据权利要求1所述的振幅光调制器，其特征在于，所述各向同性的介质，为光学玻璃。
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