CN101542355A - 光束发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光束发生装置(1)，其具备激光光源(10)和光相位调制元件(15)等。光相位调制元件(15)，输入从激光光源(10)输出并经过分光器(14)的相干光，根据该光的光束截面上的位置对该光进行相位调制，并向分光器(14)输出该相位调制后的光。在输入到光相位调制元件(15)的光的光束截面上，在设定以规定位置为原点的极坐标系(r，θ)，并且设定由以所述规定位置为中心的p个圆周划分的(p+1)个区域时，在这些(p+1)个区域中，从内侧开始计算的第偶数个区域内的各位置上的相位调制量φ用式“φ＝qθ”表示，从内侧开始计算的第奇数个区域内的各位置上的相位调制量φ用式“φ＝qθ+π”表示。

Description

光束发生装置

技术领域

本发明涉及一种光束发生装置，其产生在光束截面上具有规定的相位分布的光。

背景技术

对于产生在光束截面上具有规定的相位分布的光的光束发生装置，已知有专利文献1及非专利文献1～7所记载的装置。这些文献中记载的光束发生装置产生在光束截面上相位沿圆周方向发生变化的拉盖尔-高斯模式(Laguerre-GaussianMode)光(以下称为“LG模式光”)的装置。这样的LG模式光期待着应用于光镊、量子计算和量子通信等中，目前，在光学/物理领域受到瞩目。

专利文献1：特表2001-523396号公报

非专利文献1：J.Arlt，et al.，Journal of Modern Optics，Vol.45，No.6，pp.1231-1237(1998).

非专利文献2：D.G.Grier，Nature，Vol.424，pp.810-816(2003).

非专利文献3：M.W.Beijersbergen，et al.，Optics Communications，Vol.112，pp.321-327(1994).

非专利文献4：K.Sueda，et al.，Optics Express，Vol.12，No.15，pp.3548-3553(2004).

非专利文献5：N.R.Heckenberg，et al.，Optics Letters，Vol.17，No.3，pp.221-223(1992).

非专利文献6：N.R.Heckenberg，et al.，Optical and QuantumElectronics，Vol.24，No.24，pp.155-166(1992).

非专利文献7：J.Arlt，T.Hitomi，K.Dholakia，Applied Physics，B，Vol.71，pp.549-554(2000).

发明内容

上述的现有的光束发生装置在谋求LG模式光的进一步的应用方面，不具有足够的功能。即，在上述现有的方法中，虽然可以发生在LG模式光中具有高次偏角指数的光，但是，不能够系统地且以在实用性方面有足够的品质的方式产生例如在搬运被捕捉的原子方面具有优选的性质的高次动径指数的LG模式光。本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够产生期待着进一步的应用的LG模式光的光束发生装置。

本发明所涉及的光束发生装置，其特征为，具备：(1)输出相干光的光源；(2)光相位调制元件，输入从光源输出的光，根据该光的光束截面上的位置对该光进行相位调制，并输出该相位调制后的光。进一步，本发明所涉及的光束发生装置的特征在于，在被输入到光相位调制元件上的光的光束截面上，在设定以规定位置为原点的极坐标系(r，θ)，并且设定由以规定位置为中心的p个圆周划分的(p+1)个区域时，在这些(p+1)个区域中，从内侧开始计算的第偶数个区域内的各位置上的相位调制量φ用式“φ＝qθ”表示，从内侧开始计算的第奇数个区域内的各位置上的相位调制量φ用式“φ＝qθ+π”表示。在此，p为自然数，q为0以外的整数。而且，优选光相位调制元件为根据从外部输入的控制信号设定各像素的相位调制量的元件。而且，在n为整数时，任意的相位α和相位(α+2nπ)相互等价，而且，相位调制量的分布φ可以不管偏置值而只以相对值为问题即可。考虑到这些问题，光相位调制元件中的相位调制量φ可以限制在从相位α到相位(α+2π)的范围内，而且，α可以为值0。

本发明所涉及的光束发生装置能够产生期待着进一步的应用的高次LG模式光。

附图说明

图1为本实施方式所涉及的光束发生装置1的构成图。

图2为表示光相位调制元件15中的相位调制量的分布的例子的图。

图3为表示光相位调制元件15中的相位调制量的分布的例子的图。

图4为表示光相位调制元件15中的相位调制量的分布的例子的图。

图5为表示2个光相位调制元件中各自的相位调制量的分布的例子的图。

图6为表示从本实施方式所涉及的光束发生装置1输出的LG模式光的光束截面上的强度分布(实测值)的例子的图。

图7为表示从本实施方式所涉及的光束发生装置1输出的LG模式光的光束截面上的强度分布(理论值)的例子的图。

图8为表示从本实施方式所涉及的光束发生装置1输出的LG模式光的光束截面上的强度分布的例子的图。

符号说明

1…光束发生装置、10…激光光源、11、12…凸透镜、13…光栅(aperture)、14…分光器、15…光相位调制元件、16…平面镜、17、18…凸透镜、19…CCD照相机

具体实施方式

以下，参照附图对用于实施本发明的最佳方式进行详细说明。在此，在附图说明中，对同一要素标记同一符号，省略重复的说明。

图1为本实施方式所涉及的光束发生装置1的构成图。该图所示的光束发生装置1具备激光光源10、凸透镜11、凸透镜12、光栅13、分光器14、光相位调制元件15、平面镜16、凸透镜17、凸透镜18和CCD照相机19。

激光光源10为输出相干激光的光源，例如He-Ne激光光源等。凸透镜11和凸透镜12作为扩束器起作用，输入从激光光源10输出的光，将该光的光束半径扩大，并将该光作为平行光输出。光栅13具有圆形的开口，输入从透镜11和透镜12输出的光，并输出该光的光束截面中通过开口的部分。分光器14使从光栅13到达的光的一部分透过并向光相位调制元件15输出，并且，使从光相位调制元件15到达的光的一部分反射并向平面镜16输出。

光相位调制元件15输入从激光光源10输出并经过分光器14的光，根据该光的光束截面上的位置对该光进行相位调制，并向分光器14输出该相位调制后的光。光相位调制元件15可以为通过对玻璃板等的表面进行加工而具有厚度分布的元件，但是，优选为根据从外部输入的控制信号设定各像素的相位调制量的元件(SLM：Spatial LightModulator)。在将SLM作为光相位调制元件15使用的情况下，可以电写入相位调制量的空间分布，必要时能够赋予各种相位调制分布。

平面镜16反射从分光器14到达的光，并向透镜17输出该反射的光。透镜17和透镜18输入被平面镜16反射的光，调整该光的光束半径，并将该光作为平行光输出。CCD照相机19输入从透镜17和透镜18输出的光，并检测该光的光束截面上的光强度分布。

在该光束发生装置1中，从激光光源10输出的相干激光被凸透镜11和凸透镜12扩大光束半径之后，该光束截面的一部分通过光栅13的圆形的开口，光束截面取为圆形，进而，透过分光器14并向光相位调制元件15输入。输入到光相位调制元件15中的光，根据光束截面上的位置，受到该光相位调制元件15的相位调制，并被反射。

受到光相位调制元件15的相位调制并被反射的光，被分光器14反射，进而，被平面镜16反射，被凸透镜17和凸透镜18调整光束半径，入射到CCD照相机19的受光面上，并由该CCD照相机19检测光束截面上的光强度分布。

以下，对在光相位调制元件15中赋予光的相位调制量进行更详细的说明。在输入到光相位调制元件15上的光的光束截面上，设定以规定位置(圆形的光束截面中的中心位置)作为原点的极坐标系(r，θ)，并且，设定由以该规定位置作为中心的p个半径r₁～r_p的各个圆周所划分的(p+1)个区域A₀～A_p。从内侧开始依次记为区域A₀、A₁、A₂、…、A_p。区域A₀为半径r₁的圆周的内侧的区域，区域A_i为半径r_i-1的圆周和半径r_i的圆周之间的区域(i＝1、2、3、…、p)。

此时，如下述式(1)所示，在第偶数个区域A₀、A₂、A₄、…的各个区域内的各位置上的相位调制量φ用式“φ＝qθ”表示。而且，在第奇数个区域A₁、A₃、A₅、…的各个区域内的各位置上的相位调制量φ用式“φ＝qθ+π”表示。在此，p称为动径指数，其为自然数。另外，q称为偏角指数，其为0以外的整数。

[数1]

在此，在n为整数时，任意的相位α和相位(α+2nπ)相互等价，而且，相位调制量的分布φ(r，θ)可以不管偏置值而只以相对值为问题即可。考虑到这些问题，上述式(1)中表示的相位调制量φ可以限制在从相位α到(α+2π)的范围内。α为任意值，但是，为了计算公式的方便，优选为值0。

对于由在动径方向r上应该设定的p个半径r₁～r_p的圆周表示的相位不连续线，如以下所述方式进行设定。相位不连续线存在于光强度为0的部分(“节”)。在LG模式的情况下，光强度分布的节能够从Sonine多项式的零点求得。即，求得由下述式(2)定义的Sonine多项式S_p ^q(z)成为值0的变量z的值。Sonine多项式S_p ^q(z)为p次多项式，具有p个不同的正的实数根a₁～a_p。如果使用这些根a_i和指定光束半径的参数w，则相位不连续线的半径r_i表示为下述式(3)(i＝1，2，3，…，p)。

[数2]

$S_p^q\left(z\right)=\underset{k=0}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^k\·(p+|q\left|\right)}{(p-k)!\·\left(\right|q|+k)\·k!}\·z^k\·\·\·\left(2\right)$

[数3]

$r_i=w\sqrt{\frac{a_i}{2}},(i=\mathrm{1,2},\·\·\·,p)\·\·\·\left(3\right)$

利用光相位调制元件15接受这样的相位调制φ(r，θ)并被反射的光，是动径指数为p且偏角指数为q的LG模式光。从上述式(1)可以判断出：对于偏角指数q的LG模式光而言，如果其偏角指数q为正值，则在偏角变量θ从值0到值2π的进行变化的区间内，重复q次相位值从值0到值2π的变化。对于偏角指数q的LG模式光而言，如果其偏角指数q为负值，则在偏角变量θ从值0到值2π的进行变化的区间内，重复q次相位值从值2π到值0的变化。而且，对于动径指数p的LG模式光而言，在偏角变量θ固定时，属于以相位不连续线为边界线而连接的2个区域中的点的相位值具有差π。

图2～图4分别为表示光相位调制元件15中的相位调制量的分布的例子的图。图2以浓淡表示，当动径指数p和偏角指数q分别取1～3各值时，光相位调制元件15中的相位调制量的分布。图3为以三维表示光相位调制元件15中的相位调制量的分布的图，其中，将光相位调制元件15中的相位调整量作为z轴。图3(a)表示在动径指数p为0且偏角指数q为1的情况下的光相位调制元件15中的相位调整量的分布。图3(b)表示在动径指数p为1且偏角指数q为1的情况下的光相位调制元件15中的相位调整量的分布。图4(a)以浓淡表示在动径指数p为2且偏角指数q为4的情况下的光相位调制元件15中的相位调整量的分布。而且，图4(b)以浓淡表示在动径指数p为5且偏角指数q为1的情况下的光相位调制元件15中的相位调整量的分布。

偏角方向的相位调制和动径方向的相位调制可以利用1个光相位调制元件赋予，也可以利用2个光相位调制元件一个一个地赋予。图5为表示在后属情况下2个光相位调制元件中各自的相位调制量的分布的例子的图。图5(a)以浓淡表示在动径指数p为2且偏角指数q为3的情况下的相位调整量的分布。图5(b)以浓淡表示在动径指数p为2的情况下的第1光相位调制元件中的相位调整量的分布。图5(c)以浓淡表示在动径指数p为0且偏角指数q为3的情况下的第2光相位调制元件中的相位调整量的分布。而且，由于图5(b)中所示的相位调制量分布是用上述式(2)和上述式(3)赋予的，因此，也依存于偏角指数q。图5(a)的相位调整量分布是以图5(b)和图5(c)各自的相位调整量分布的和的形式表示的。分别向动径方向和偏角方向赋予的相位分布的顺序，可以是任意的顺序。

图6和图7分别表示从本实施方式所涉及的光束发生装置1输出的LG模式光的光束截面上的强度分布的例子的图。图6表示实测值，图7表示理论值。动径指数p和偏角指数q分别取1～3的各值。它们对应于图2所示的光相位调制元件15中的相位调制量分布。在这些图中，可知：在任何模式下，实测值(图6)和理论值(图7)相互良好地一致，且得到的光为LG模式光。

图8为表示从本实施方式所涉及的光束发生装置1输出的LG模式光的光束截面上的强度分布的例子的图。同图(a)表示实测值，同图(b)表示理论值。动径指数p为5，偏角指数q为1。它们对应于图4(b)中所示的光相位调制元件15中的相位调制量分布。从这些图判断出，能够高精度且高品质地生成这样的高次LG模式光。

如上所述，本实施方式所涉及的光束发生装置1能够高精度且高品质地生成动径指数和偏角指数都高的高次LG模式光，并能够期待使用这样的高次LG模式光的进一步的应用。

而且，虽然在上述实施方式中光相位调制元件15为反射型元件，但是，本发明中可以使用透过型光相位调制元件。

产业上利用的可能性

本发明提供能够发生可期待进一步的应用的LG模式光的光束发生装置。

Claims (2)

1.一种光束发生装置，其特征在于，

具备：

输出相干光的光源；

光相位调制元件，输入从所述光源输出的光，根据该光的光束截面上的位置对该光进行相位调制，并输出该相位调制后的光，

在输入到所述光相位调制元件上的光的光束截面上，在设定以规定位置为原点的极坐标系(r，θ)，并且设定被以所述规定位置为中心的p个圆周划分的(p+1)个区域时，在这些(p+1)个区域中，从内侧开始计算的第偶数个区域内的各位置上的相位调制量φ用式“φ＝qθ”表示，并且从内侧开始计算的第奇数个区域内的各位置上的相位调制量φ用式“φ＝qθ+π”表示，

在此，p为自然数，q为0以外的整数。

2.根据权利要求1所述的光束发生装置，其特征在于，

所述光相位调制元件为根据从外部输入的控制信号设定各像素的相位调制量的元件。

Images