Matlab:产生艾里光束

往今～

于 2024-08-15 12:31:15 发布

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文章标签： matlab 开发语言

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_43718835/article/details/141217058

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据说艾里光束是一类不沿着直线传播的光束，这里用matlab简单仿真了一个光束的产生。当然，还没有开始研究其中光束的传输特性。

由于艾里光束的理论二维光强分布的傅里叶变换是一个高斯振幅项×立方相位项，那么反过来，传统产生艾里光束的方法便是利用高斯光束与立方相位作用，并用焦距为f的透镜做傅里叶变换，那么在焦平面上便可以得到理想的艾里光斑。而这种方式所构建的实验系统必须要将透镜带来的2f距离考虑在内，这就会带来实验系统冗长的问题。而在器件微型化和小型化的当下，2f的距离简直是不能忍的，利用直径不到1mm的超构表面承载立方相位与透镜相位，可以直接解决问题。这也是后面两种仿真的思路，一种是不考虑光场的振幅分布，将立方相位叠加透镜相位，经过一定距离的衍射之后得到准艾里光束。而另一种则是将高斯振幅分布与立方相位点乘编码，再叠加上透镜相位，同样衍射之后得到艾里光束。

话不多说，上代码：

%% ***************************************
% author: Wangjing  
% 2024/8/14

clear,clc,close all;

% parameters setting**************
lamda = 1550e-9;
k = 2*pi/lamda;
xlens = 0.8e-3;
ylens = 0.8e-3;
w = 1.8e-4;        % waist radius
Nx = 1024;
Ny = 1024;
z = 0;

% coordinates generation**********
xpos = linspace(-xlens/2,xlens/2,Nx);
ypos = linspace(-ylens/2,ylens/2,Ny);
[x,y] = meshgrid(xpos,ypos);

% Gaussian_beams generation*******
E_Gauss = f_Gaussian_beams(w,z,lamda,xlens,ylens,Nx,Ny);
figure;
subplot(1,2,1),imagesc(abs(E_Gauss).^2),title('gauss_intensity'),colormap(subplot(1,2,1),"hot"),axis square,axis off;
subplot(1,2,2),imagesc(angle(E_Gauss)),title('gauss_phase'),colormap(subplot(1,2,2),"gray"),axis square,axis off;

% Cubic phase & lens phase*********
s = 5e-7;
A = exp(1i*k*(x.^3+y.^3)/3/s);
figure;imagesc(angle(A)),colormap gray,title('Cubic phase'),axis square,axis off;
f = 5e-4;
Fresnel = exp(1i*k*(x.^2+y.^2)/2/f);
figure;imagesc(angle(Fresnel)),colormap gray,title('lens phase'),axis square,axis off;

% 传统透镜傅里叶变换产生艾里光束*********
E1 = E_Gauss.*A;
E2 = fftshift(fft2(E1));      % 光斑较小
figure;
subplot(1,2,1),imagesc(abs(E2).^2),title('Airy_beams'),colormap(subplot(1,2,1),"hot"),axis square,axis off;
subplot(1,2,2),imagesc(angle(E2)),title('bemas_phase'),colormap(subplot(1,2,2),"gray"),axis square,axis off;

% 平面波入射到cubic及lens复合相位产生准艾里光束********
E_plane = ones(Nx,Ny);
figure;
subplot(1,2,1),imagesc(abs(E_plane).^2),title('平面波'),colormap(subplot(1,2,1),"hot"),axis square,axis off;
subplot(1,2,2),imagesc(angle(E_plane)),title('phase'),colormap(subplot(1,2,2),"gray"),axis square,axis off;

E_qusi = E_plane.*(exp(1i*angle(A+Fresnel)));
E_qusi_Airy = f_angular_spectrum(lamda,E_qusi,xlens/Nx,2*f,'forward');
figure;
subplot(1,2,1),imagesc(abs(E_qusi_Airy).^2),title('qusi_Airy_beams'),colormap(subplot(1,2,1),"hot"),axis square,axis off;
subplot(1,2,2),imagesc(angle(E_qusi_Airy)),title('qusi_phase'),colormap(subplot(1,2,2),"gray"),axis square,axis off;

% 平面波入射到振幅编码的cubic_phase并结合透镜相位产生艾里光束********
m = 1e-7;
Amp = -(x.^2 + y.^2)./m;
figure;imagesc(Amp),title('Amplitude'),colormap gray,axis square,axis off;
phase = angle(Amp.*A + Fresnel);
E_middle = E_plane.*exp(1i*phase);
E_Airy = f_angular_spectrum(lamda,E_middle,xlens/Nx,f,'forward');
figure;
subplot(1,2,1),imagesc(abs(E_Airy).^2),title('Airy_beams'),colormap(subplot(1,2,1),"hot"),axis square,axis off;
subplot(1,2,2),imagesc(angle(E_Airy)),title('phase'),colormap(subplot(1,2,2),"gray"),axis square,axis off;