CN102148067A - 一种产生旋转的复合涡旋光束的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生旋转的复合涡旋光束的装置，技术特征在于：激光光源出射的光束依次经过光束扩大器和分束镜，经分束的两光束其中一光束通过第二反射镜后由第一空间光调制器进行调制，然后通过第一傅里叶空间滤波器进行滤波；另一光束经第一反射镜反射后由第二空间光调制器进行调制，然后通过第二傅里叶空间滤波器进行滤波，并由频移器件产生频移；两束光通过合束镜实现同轴叠加得到产生旋转的复合涡旋光束。本发明提出的装置，能方便地控制复合涡旋光束的转速和光斑图样；用其产生的光束可以作为“光学扳手”，凭借其特有的轨道角动量特征来操纵和旋转微粒。

Description

一种产生旋转的复合涡旋光束的装置

技术领域

本发明涉及一种产生旋转的复合涡旋光束的装置，是一种基于拓扑荷不同的两个涡旋光束产生旋转的复合涡旋光束的装置。

背景技术

涡旋光束在近几十年中由于其独特的相位结构和拓扑特性在基础研究和应用研究等领域均受到了广泛的关注。与流体中的涡旋现象类似，在光学领域，涡旋光束的光波场的中心存在相位奇点，且相位围绕该奇点呈螺旋连续变化，光波波前会绕在传播方向上的一条线以螺旋方式旋转，形成螺旋形的波前。

早在2003年I.D.Maleev和G.A.Swartzlander等人就分析了两个平行不同轴的涡旋叠加，描述了光学相位奇点随两涡旋的相对相位或幅值的变化情况，并得到涡旋产生和湮灭的临界条件。近几年对光学涡旋的同轴叠加研究逐渐增多，其中A.Ya.Bekshaev等在2005年研究了两拉盖尔-高斯涡旋光束模式分别为LG_0，+1 LG_0，-1)同轴叠加后的传输特性，并预言若两拉盖尔-高斯涡旋光束频率不同，干涉图样将在同一平面内旋转；E.J.Galvez领导的研究小组在2006-2009年间致力于复合光学涡旋的研究，得出了两涡旋叠加后产生的复合涡旋的分布规律。但这些工作仅局限于频率相同的两涡旋光束同轴叠加，而不同频率的两涡旋光束的同轴叠加尚未报道。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种通过同轴叠加频率不同且拓扑荷不同的两涡旋光束产生旋转的复合涡旋的装置。

本发明的思想在于：通过空间光调制器对高斯激光光束调制引入拓扑荷因子，然后通过空间滤波得到具有指定拓扑荷的涡旋拉盖尔-高斯光束LG光束。通过频移器件产生频率差。任何已有的频移器件都可以用在此技术中，如：声光调制，电光调制，旋转光栅，或者能连续改变相位光程的方法。最后，通过本技术中设计的光路可以简单的实现光束同轴叠加。

技术方案

一种产生旋转的复合涡旋光束的装置，其特征在于包括激光器1、光束扩束器2、分束镜3、第一反射镜4、第一空间光调制器5-1、第二空间光调制器5-2、第一傅里叶空间滤波器6-1、第二傅里叶空间滤波器6-2、频移器件7、第二反射镜8和合束镜9；激光光源1出射的光束依次经过光束扩大器2和分束镜3，经分束的两光束其中一光束通过第二反射镜8后由第一空间光调制器5-1进行调制，然后通过第一傅里叶空间滤波器6-1进行滤波；另一光束经第一反射镜4反射后由第二空间光调制器5-2进行调制，然后通过第二傅里叶空间滤波器6-2进行滤波，并由频移器件7产生频移；两束光通过合束镜9实现同轴叠加得到产生旋转的复合涡旋光束；所述的第一空间光调制器5-1和第二空间光调制器5-2采用透射式空间光调制器。

一种产生旋转的复合涡旋光束的装置，其特征在于包括激光器1、光束扩束器2、分束镜3、第一反射镜4、第一空间光调制器5-1、第二空间光调制器5-2、第一傅里叶空间滤波器6-1、第二傅里叶空间滤波器6-2、频移器件7、第二反射镜8和合束镜9；激光光源1出射的光束依次经过光束扩大器2和分束镜3，经分束的两光束其中一束由反射镜8部分反射到空间光调制器调制5-1表面，被调制后的光束原路返回并部分透射过反射镜8，透射光通过第一傅里叶空间滤波器6-1；另一束由反射镜4部分反射到空间光调制器调制5-2表面，被调制后的光束原路返回并部分透射过反射镜4，透射光通过第二傅里叶空间滤波器6-2和频移器件7；这两束光通过合束镜9实现同轴叠加得到产生旋转的复合涡旋光束；所述的第一空间光调制器5-1和第二空间光调制器5-2采用反射式空间光调制器；所述的第一反射镜4和第二反射镜8采用半透半反镜。

一种产生旋转的复合涡旋光束的装置，其特征在于包括激光器1、光束扩束器2、分束镜3、第一反射镜4、第一空间光调制器5-1、第二空间光调制器5-2、第一傅里叶空间滤波器6-1、第二傅里叶空间滤波器6-2、频移器件7、第二反射镜8和合束镜9；激光光源1出射的光束依次经过光束扩大器2和分束镜3，经分束的两光束其中一束由反射镜8部分反射到空间光调制器调制5-1表面，被调制后的光束原路返回并部分透射过反射镜8，透射光通过第一傅里叶空间滤波器6-1；另一束光经反射镜4反射后依次通过第二空间光调制器5-2，第二傅里叶空间滤波器6-2和频移器件7；这两束光通过合束镜9实现同轴叠加得到产生旋转的复合涡旋光束；所述的第一空间光调制器5-1和第二空间光调制器5-2采用反射式空间光调制器；所述的第一反射镜4和第二反射镜8采用半透半反镜。

采用图像采集器件10将经分束镜9同轴叠加得到螺旋桨式旋转光束进行采集，并观察到旋转的图样。

在第一空间光调制器5-1和第二空间光调制器5-2上采用图形控制器11控制调制光的涡旋全息图。

在频移器件7上采用频差控制器12控制频移器的频移量。

所述频移器件7为任何现有的声光频移器件或旋转玻片频移器件。

工作原理：激光光源1出射的光束依次经过光束扩大器2和分束镜3。经分束的两光束其中一束依次由第一空间光调制器5-1，第一傅里叶空间滤波器6-1分别进行调制和滤波。另一束经第一反射镜4反射后依次由第二空间光调制器5-2，第二傅里叶空间滤波器6-2分别进行调制和滤波，并由频移器件7产生频移。之后，这两束光通过第二反射镜8和合束镜9实现同轴叠加，并由图像采集器件10进行接收。

有益效果

本发明提出的旋转复合涡旋光束的装置，能方便地控制复合涡旋光束的转速和光斑图样；用其产生的光束可以作为“光学扳手”，凭借其特有的轨道角动量特征来操纵和旋转微粒。

附图说明

图1：本发明的基于拓扑荷不同且频率不同的两涡旋光同轴叠加产生旋转的复合涡旋光束装置的第一种形式应用两个透射式空间光调制器结构图；

图2：本发明的基于拓扑荷不同且频率不同的两涡旋光同轴叠加产生旋转的复合涡旋光束装置的第二种形式应用两个反射式空间光调制器结构图；

图3：本发明的基于拓扑荷不同且频率不同的两涡旋光同轴叠加产生旋转的复合涡旋光束装置的第三种形式应用一个反射式空间光调制器和一个透射式空间光调制器结构图；

图1～图3中：

1-激光光源，2-光束扩束器，3-分束镜，4-第一反射镜，5-1-第一空间光调制器，5-2-第二空间光调制器，6-1-第一傅里叶空间滤波器，6-2-第二傅里叶空间滤波器，7-频移器件，8-第二反射镜，9-合束镜，10-图像采集器件，11-图形控制器，12-频差控制器，13-计算机；

图4：根据图1，图2或图3的结构形式产生的旋转复合涡旋光束的理论结果。其中，图ace分别对应拓扑荷为±1、±2、±3的两涡旋光束同轴叠加产生光斑的旋转过程模拟图样，图b为拓扑荷为2m₁和拓扑荷为5m₂的两涡旋光叠加结果。图d为拓扑荷为-1m₁和拓扑荷为4m₂的两涡旋光叠加结果。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1：

请参阅图1。

激光光源1出射的光束依次经过光束扩大器2和分束镜3。经分束的两光束其中一束由反射镜8反射后依次通过第一空间光调制器5-1和第一傅里叶空间滤波器6-1。另一束经反射镜4反射后依次通过第二空间光调制器5-2，第二傅里叶空间滤波器6-2和频移器件7。之后，这两束光通过合束镜9实现同轴叠加，并由图像采集器件10进行接收。系统还包括控制两个空间光调制器的图形控制器11，控制频移器件频率改变量的频差控制器12和计算机13。探测所得的理论结果如图4所示。本方案中，通过计算机控制空间光调制器的图像即可控制旋转光斑的“叶片”个数，控制频移器产生的频移大小即可控制光斑的转速。

实施例2：

请参阅图2，反光镜8由半透半反射镜替代。

激光光源1出射的光束依次经过光束扩大器2和分束镜3。经分束的两光束其中一束由半透半反射镜部分反射到反射式空间光调制器调制5-1表面，被调制后的光束原路返回并部分透射过半透半反镜8，透射光通过第一傅里叶空间滤波器6-1。另一束由半透半反射镜4部分反射到反射式空间光调制器调制5-2表面，被调制后的光束原路返回并部分透射过半透半反镜4，透射光通过第二傅里叶空间滤波器6-2和频移器件7。之后，这两束光通过合束镜9实现同轴叠加，并由图像采集器件10进行接收。系统还包括控制两个空间光调制器的图形控制器11，控制频移器件频率改变量的频差控制器12和计算机13。探测所得的理论结果如图4所示。本方案中，通过计算机控制空间光调制器的图像即可控制旋转光斑的“叶片”个数，控制频移器产生的频移大小即可控制光斑的转速。

实施例3：

请参阅图3，反光镜8由半透半反射镜替代。

激光光源1出射的光束依次经过光束扩大器2和分束镜3。经分束的两光束其中一束由半透半反射镜部分反射到反射式空间光调制器调制5-1表面，被调制后的光束原路返回并部分透射过半透半反镜8，透射光通过第一傅里叶空间滤波器6-1。另一束光经反射镜4反射后依次通过第二空间光调制器5-2，第二傅里叶空间滤波器6-2和频移器件7。之后，这两束光通过合束镜9实现同轴叠加，并由图像采集器件10进行接收。系统还包括控制两个空间光调制器的图形控制器11，控制频移器件频率改变量的频差控制器12和计算机13。探测所得的理论结果如图4所示。本方案中，通过计算机控制空间光调制器的图像即可控制旋转光斑的“叶片”个数，控制频移器产生的频移大小即可控制光斑的转速。

通过本实施方式产生与控制旋转的复合涡旋光束的过程为：将拓扑荷为m₁和m₂的计算涡旋全息图经图形控制器分别输入空间光调制器5-1和5-2中，并且在空间滤波器6-1和6-2的频谱面上仅保留1级或-1级频谱光。当这两个滤波器都保留+1级频谱时，在滤波器的后方将对应得到拓扑荷为m₁和m₂的LG涡旋光，当保留-1级时，将得到对应的拓扑荷为-m₁或-m₂的LG涡旋光，并将这两束涡旋光记为u₁和u₂，其光场表达式为

$u(r,\mathrm{\θ},z)=E_0\exp \left[\frac{{-\mathrm{ikr}}^2}{2R\left(z\right)}\right]\exp \left[i\left(\right|m|+1){\tan }^{-1}\frac{z}{z_0}\right]\exp \left(\mathrm{i\ωt}\right)\exp (-\mathrm{im\θ})---\left(1\right)$

$E_0=\frac{C_R}{\sqrt{1+z^2/z_0^2}}{\left[\frac{r\sqrt{2}}{w\left(z\right)}\right]}^{\left|m\right|}\exp \left[\frac{-r^2}{w^2\left(z\right)}\right],w\left(z\right)=w_0\sqrt{1+z/z_0}---\left(2\right)$

其中，E₀是背景光场的振幅，ω是光束的圆频率，w(z)表示光束在z处的半径，w₀是光束的束腰半径，z₀＝πw₀ ²/λ是瑞利距离。R(z)＝z(1+z²/z₀ ²)为波面的曲率半径，m为拓扑荷数，k为波数。同时，频移器件7使一束光相对于另一束光产生一定频差Δω，频差量可通过频差控制器进行控制。这时，根据公式1和2可得合束镜9后输出的同轴叠加光束复振幅为

$u^2={[u_1(r,\mathrm{\θ},z)+u_2(r,\mathrm{\θ},z\left)\right]}^2=u_1{u}_1^{*}+u_2{u}_2^{*}+u_1{u}_2^{*}+u_1^{*}{u}_2$

$\≈E_{01}^2+E_{02}^2+{2E}_{01}{E}_{02}\cos [\frac{\mathrm{\Δk}{r}^2}{2R\left(z\right)}-(m_1-m_2)\mathrm{\θ}\left(\right|m_1|-|m_2\left|\right){\tan }^{-1}\frac{z}{z_0}+({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t]---\left(3\right)$

其中

其中的角标1和2分别代表第一束和第二束涡旋光，Δk为两束光的波数差。当

时，或者

时，光强为极大值。其中N为整数，是时间t和观察位置z的坐标。满足此式的θ_max即为系统产生的光斑中每个光强“叶片”中心的角坐标，即

在某特定时刻和某特平面上，

为定值。根据余弦函数的周期性，在单个周期内

0≤N＜m₁-m₂                                    (6)

在一个周期内N有m₁-m₂个取值，即采用本技术的到的旋转光斑具有m₁-m₂个强度“叶片”。

当|m₁|≠|m₂|时，即即输入空间光调制器的图像不同时，θ_max不仅在同一平面内随时间变化，而且随着传输距离的增加而变化，所得光束为在平面内旋转的复合涡旋光束。但是在某一特定平面内，由该方案所得光斑的旋转角速度为

$\mathrm{\Ω}=\frac{{\mathrm{d\θ}}_{\max }}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{m_1-m_2}---\left(7\right)$

当m₁＝-m₂时，即输入空间光调制器的图像相同，且空间滤波器6-1保留1级或-1级频谱光、6-2保留-1级或1级频谱光时，忽略光束波前曲率半径R(z)的变化，该方案中得到的复合光束涡旋特性消失，只在同一平面内旋转，且旋转角速度

$\mathrm{\Ω}=\frac{{\mathrm{d\θ}}_{\max }}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{m_1-m_2}=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{{2m}_1}---\left(8\right)$

注：本方案系统不能工作于m₁＝m₂的模式，此模式即输入空间光调制器的图像相同，且空间滤波器6-1和6-2同时保留1级或-1级频谱光。

合束镜9后输出的同轴叠加光束即为旋转的复合涡旋光束，并可通过图像采集器件观察到旋转的图样。频移器件产生的频差越大，图样的转动速度越快。并且，图样的叶片数目由输入计算涡旋全息图的拓扑荷数之差所决定。在本方案中，通过计算机控制空间光调制器的图像即可控制旋转光斑的“叶片”个数，控制频移器产生的频移大小即可控制光斑的转速。

Claims (7)

1.一种产生旋转的复合涡旋光束的装置，其特征在于包括激光器(1)、光束扩束器(2)、分束镜(3)、第一反射镜(4)、第一空间光调制器(5-1)、第二空间光调制器(5-2)、第一傅里叶空间滤波器(6-1)、第二傅里叶空间滤波器(6-2)、频移器件(7)、第二反射镜(8)和合束镜(9)；激光光源(1)出射的光束依次经过光束扩大器(2)和分束镜(3)，经分束的两光束其中一光束通过第二反射镜(8后由第一空间光调制器(5-1)进行调制，然后通过第一傅里叶空间滤波器(6-1)进行滤波；另一光束经第一反射镜(4)反射后由第二空间光调制器(5-2)进行调制，然后通过第二傅里叶空间滤波器(6-2)进行滤波，并由频移器件(7)产生频移；两束光通过合束镜(9)实现同轴叠加得到产生旋转的复合涡旋光束；所述的第一空间光调制器(5-1)和第二空间光调制器(5-2)采用透射式空间光调制器。

2.一种产生旋转的复合涡旋光束的装置，其特征在于包括激光器(1)、光束扩束器(2)、分束镜(3)、第一反射镜(4)、第一空间光调制器(5-1)、第二空间光调制器(5-2)、第一傅里叶空间滤波器(6-1)、第二傅里叶空间滤波器(6-2)、频移器件(7)、第二反射镜(8)和合束镜(9)；激光光源(1)出射的光束依次经过光束扩大器(2)和分束镜(3)，经分束的两光束其中一束由反射镜(8部分反射到空间光调制器调制(5-1)表面，被调制后的光束原路返回并部分透射过反射镜(8)，透射光通过第一傅里叶空间滤波器(6-1)；另一束由反射镜(4)部分反射到空间光调制器调制(5-2)表面，被调制后的光束原路返回并部分透射过反射镜(4)，透射光通过第二傅里叶空间滤波器(6-2)和频移器件(7)；这两束光通过合束镜(9)实现同轴叠加得到产生旋转的复合涡旋光束；所述的第一空间光调制器(5-1)和第二空间光调制器(5-2)采用反射式空间光调制器；所述的第一反射镜(4)和第二反射镜(8)采用半透半反镜。

3.一种产生旋转的复合涡旋光束的装置，其特征在于包括激光器(1)、光束扩束器(2)、分束镜(3)、第一反射镜(4)、第一空间光调制器(5-1)、第二空间光调制器(5-2)、第一傅里叶空间滤波器(6-1)、第二傅里叶空间滤波器(6-2)、频移器件(7)、第二反射镜(8)和合束镜(9)；激光光源(1出射的光束依次经过光束扩大器(2)和分束镜(3)，经分束的两光束其中一束由反射镜(8)部分反射到空间光调制器调制(5-1)表面，被调制后的光束原路返回并部分透射过反射镜(8)，透射光通过第一傅里叶空间滤波器(6-1)；另一束光经反射镜(4)反射后依次通过第二空间光调制器(5-2)，第二傅里叶空间滤波器(6-2)和频移器件(7)；这两束光通过合束镜(9)实现同轴叠加得到产生旋转的复合涡旋光束；所述的第一空间光调制器(5-1)和第二空间光调制器(5-2采用反射式空间光调制器；所述的第一反射镜(4)和第二反射镜(8)采用半透半反镜。

4.根据权利要求1所述的产生螺旋桨式旋转光束的装置，其特征在于：采用图像采集器件(10)将经分束镜(9)同轴叠加得到螺旋桨式旋转光束进行采集，并观察到旋转的图样。

5.根据权利要求1所述的产生螺旋桨式旋转光束的装置，其特征在于：在第一空间光调制器(5-1)和第二空间光调制器(5-2)上采用图形控制器(11)控制调制光的涡旋全息图。

6.根据权利要求1所述的产生螺旋桨式旋转光束的装置，其特征在于：在频移器件(7)上采用频差控制器(12)控制频移器的频移量。

7.根据权利要求1所述的产生螺旋桨式旋转光束的装置，其特征在于：所述频移器件(7)为任何现有的声光频移器件或旋转玻片频移器件。

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