CN101520556A - 螺旋锥面光束的产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋锥面光束实现装置，属于应用光学技术领域。本发明中光源激光器出射光束，经过扩束准直后的平行光通过偏振分束器后，出射光为线偏振光，经过光轴方向与线偏振光的偏振方向成45°的四分之一波片后，形成圆偏振光，通过孔径可调圆孔光栏调节光束的尺寸之后，经空间光调制器的反射光再次通过四分之一波片后，出射光束变为线偏振光，光束再次通过偏振分束器可以完全反射，然后通过会聚透镜，经面阵光电传感器由显示器显示，空间光调制器调控高斯光束形成螺旋相位因子与锥面相位因子叠加位相分布，产生螺旋锥面光束。本发明具有实时调控，调节便捷、光能利用率高、系统简洁等优点。

Description

螺旋锥面光束的产生装置

技术领域：

本发明涉及光束产生装置，特别是一种螺旋锥面光束产生装置。主要应用于光学微操纵及光与物质相互作用等领域。

背景技术：

光波包含频率、位相、强度和偏振等方面的信息，光波波前的位相可以包含周期性结构的位错。在这种结构中，等位相面具有螺旋形式，而且在波前中这种螺旋位错结构的存在要求位错轴上的电场振幅为零。绕位错轴旋转一周光波的位相变化2mπ，m＝±1，±2……这里整数m为拓扑荷或位错阶。Nye and Berry(J.F.Nye，M.V.Berry，Proc.R.Soc.Lond.A 336(1974)165.)已经详细的研究了单色波的位错和位相缺陷。在研究过程中发现了很多种波前位错，比如螺旋位错，边缘位错或者是混合型螺旋边缘位错。在光波中常研究的位相缺陷是螺旋位错。光束中的螺旋位错导致光束中心产生位相变异，结果光束会呈现环形强度剖面图而依然保持螺旋位相结构。这种光波的一个典型的例子就是LG光束。因为螺旋位相结构，LG光束带有位相畸变和轨道角动量。过去几十年这种光束引起了人们广泛的兴趣。特别是在微粒的光学旋转，光子的量子纠缠态，非线性光学和光漩涡相互作用等方面。1992年，Heckenberg等人在Opt.Lett.上报道了采用计算全息法产生TEM₀₁模式的面包圈型空心光束。2004年Berry(M.V.Berry，J.Opt.A 6(2004)254.)理论上分析了2πl的位相奇变的光波的演变过程，其中l可能是整数也可能是非整数。因为分数位相阶次2πl是非整数，Berry做出了一个很重要的理论预期，那就是螺旋波可以是分数位相阶次和半整数值。近年来，带有半整数拓扑荷的位错光束引起人们极大的兴趣。通常采用螺旋位相板和离焦全息图产生半整数拓扑荷的光束。在先技术中，有一种光束产生方法及其装置，(参见L.V.Basisty，V.A.Pas_ko，V.V.Slyusar，M.Soskin，M.V.Vasnetsov，J.Opt.A 6(2004)S166.)，该装置利用基于半整数螺旋位错的计算机全息，产生了半整数拓扑荷的单色光光束，具有相当的优点，但是，仍然存在一些本质不足，主要为产生光束有限，特别不能够产生螺旋锥面光束，不能形成任意分数位相阶次，光能利用率低，应用范围有限。

发明内容

本发明要解决的问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种步骤简单、光能利用率高、实现方便的螺旋锥面光束产生装置。同时，具有可获得任意径向和方位角向的相互牵连的位相阶次的螺旋锥面光束的本质特点，可以具体的观察到随着光波位相阶次变化的螺旋锥面光束的产生和演变过程。

本发明的基本构思：

从光源激光器出射的光束经扩束准直后，出射的平行光通过偏振分束器后为线偏振光，经过光轴方向与线偏振光的偏振方向成45°的四分之一波片后，形成圆偏振光，通过孔径可调圆孔光栏调节光束的尺寸之后，入射到由计算机控制的反射型空间光调制器上，经空间光调制器反射的反射光再次通过四分之一波片后，出射光束变为线偏振光，但光束的偏振方向与第一次入射到四分之一波片的线偏振光的偏振方向垂直，光束再次通过偏振分束器后，光可以完全反射，然后通过会聚透镜，经面阵光电传感器由显示器显示，空间光调制器调控高斯光束形成螺旋相位因子与锥面相位因子叠加位相分布，产生螺旋锥面光束。

本发明的技术解决方案：

本发明提供一种螺旋锥面光束产生装置，包括激光器、透镜、小孔滤波器、准直透镜、偏振分束器、四分之一波片、孔径可调圆孔光栏、空间光调制器、会聚透镜、面阵光电传感器、显示器；透镜、小孔滤波器、准直透镜、偏振分束器、四分之一波片、孔径可调圆孔光栏、空间光调制器依次设置在激光器出射光束方向上；小孔滤波器设置在透镜和准直透镜之间的频谱面上，四分之一波片光轴方向与激光器出射光束偏振方向夹角为45°；激光器出射光束被空间光调制器反射后，再次经过偏振分束器反射的反射光束方向上依次设置有会聚透镜和面阵光电传感器；显示器与面阵光电传感器相连接。

所述的空间光调制器为由计算机控制的液晶型相位调节器、可编程纯相位调节器中的一种。

所述的空间光调制器为反射型的空间光调制器。

本发明提供的一种螺旋锥面光束产生装置如上所述结构，工作过程为：激光器产生激光束，经过透镜扩束，通过合适的小孔滤波器滤去干扰光，准直透镜出射平行光。平行光经过偏振分束器出射线偏振光。线偏振光经过四分之一波片形成圆偏振光，圆偏振光通过孔径可调圆孔光栏调节光束的尺寸之后，入射到由计算机控制的反射型空间光调制器，反射光束再次射到四分之一波片上，出射光束变为线偏振光，但光束的偏振方向与第一次入射到四分之一波片的线偏振光的偏振方向垂直，光束再通过偏振分束器后，光束被反射，反射光束通过会聚透镜之后经面阵光电传感器由显示器显示。

与在先技术相比，本发明的优点：

1)实现装置结构简单，操作方便。

2)螺旋锥面光束由计算机控制空间调制器而产生，调节方便，可进行实时调控。

3)光能利用率高。

附图说明：

图1为本发明实施例的系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不只限于本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的一种螺旋锥面光束产生装置，图1为本发明实施例示意图。一种螺旋锥面光束产生装置，其特征：包括激光器1、透镜2、小孔滤波器3、准直透镜4、偏振分束器5、四分之一波片6、孔径可调圆孔光栏7、空间光调制器8、会聚透镜9、面阵光电传感器10、显示器11；透镜2、小孔滤波器3、准直透镜4、偏振分束器5、四分之一波片6、孔径可调圆孔光栏7、空间光调制器8依次设置在激光器1出射光束方向上；小孔滤波器3设置在透镜2和准直透镜4之间的频谱面上，四分之一波片6光轴方向与激光器1出射光束偏振方向夹角为45°；激光器1出射光束被空间光调制器8反射后，再次经过偏振分束器5反射的反射光束方向上依次设置有会聚透镜9和面阵光电传感器10，显示器11与面阵光电传感器10相连接。

本实施例采用计算机控制螺旋锥面位相函数加载到空间光调制器来产生螺旋锥面光束。激光器1是一个40毫瓦的氦氖激光器(λ＝632.8nm)，透镜2为开普勒扩束镜可将光束扩大到直径30mm。通过合适针孔滤波器3，准直透镜4采用焦距为300mm的低像差透镜。空间光调制器8为滨淞公司的反射式可控空间光调制器(X7.550，工作面为20mm*20mm)。面阵光电传感器10采用面阵电荷耦合器件光电传感器。

本实施例工作过程为：激光器1产生激光束，经过透镜扩束，通过合适的小孔滤波器3滤去干扰光，准直透镜4出射平行光。平行光经过偏振分束器5出射线偏振光。线偏振光经过四分之一波片6形成圆偏振光，圆偏振光通过孔径可调圆孔光栏7调节光束的尺寸之后，入射到由计算机控制的反射型空间光调制器8，反射光束再次射到四分之一波片6上，出射光束变为线偏振光，但光束的偏振方向与第一次入射到四分之一波片6的线偏振光的偏振方向垂直，光束再通过偏振分束器5后，光束被反射，反射光束通过会聚透镜9之后经面阵光电传感器10由显示器11显示。本发明成功实现了螺旋锥面光束的产生，具有结构简单、操作和调控方便、光能利用率高等特点。

Claims (3)

1、一种螺旋锥面光束产生装置，包括激光器、透镜、小孔滤波器、准直透镜、偏振分束器、四分之一波片、孔径可调圆孔光栏、空间光调制器、会聚透镜、面阵光电传感器、显示器；透镜、小孔滤波器、准直透镜、偏振分束器、四分之一波片、孔径可调圆孔光栏、空间光调制器依次设置在激光器出射光束方向上；小孔滤波器设置在透镜和准直透镜之间的频谱面上，四分之一波片光轴方向与激光器出射光束偏振方向夹角为45°；激光器出射光束被空间光调制器反射后，再次经过偏振分束器反射的反射光束方向上依次设置有会聚透镜和面阵光电传感器；显示器与面阵光电传感器相连接。

2、如权利要求1所述的一种螺旋锥面光束产生装置，其特征在于：所述的空间光调制器为由计算机控制的液晶型相位调节器、可编程纯相位调节器中的一种。

3、如权利要求1所述的一种螺旋锥面光束产生装置，其特征在于：所述的空间光调制器为反射型的空间光调制器。

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