CN102169320A - 一种产生螺旋桨式旋转光束的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生螺旋桨式旋转光束的装置，技术特征在于：激光器出射的光经光束扩大器扩束准直，通过空间光调制器调制，调制后的光束经傅里叶变换透镜变换到频域，在频谱面上经双孔滤波器滤波后保留±1级频谱成分，再经过傅里叶逆变换透镜后得到空间上分开且拓扑荷相反±m的两涡旋光束，其中一束经第三反射镜进入频移器，频移器对该光束产生变频；另一光束依次经过第一反射镜和第二反射镜，与变频后的光束一起经分束镜同轴叠加得到螺旋桨式旋转光束。本装置能方便地控制旋转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

一种产生螺旋桨式旋转光束的装置

技术领域

本发明涉及一种产生螺旋桨式旋转光束的装置，是一种同轴叠加拓扑荷相反且频率不同的两涡旋光产生螺旋桨式旋转光束的装置。

背景技术

数十年来，螺旋桨式旋转光束由于其独特的光学特性和潜在的应用价值而引起广泛关注。目前这种类型的光束已应用于波色-爱因斯坦凝聚实验、光镊技术、光通讯、光学微操控等方面。为此对螺旋桨式旋转光束开展了深入的理论研究，如光斑图样分布、能量的横向传输及角动量等特性，同时也提出了产生螺旋桨式的旋转光束的多种方法，C.Anastassiou等提出利用旋转的反射镜实现光斑旋转的方法，C.Rotschild等提出通过旋转孔径光阑的方法实现螺旋桨式旋转光束，P.

等让光束通过二元相位衍射元件来产生螺旋桨式旋转光束，最近Peng Zhang张鹏等还报道了利用莫尔技术产生螺旋桨式旋转光束的方法。但是，上述方法中大部分对器件有很高的要求，产生的光束形状较为单一，并且要通过复杂的结构来控制光束的旋转速度。

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。这便为产生螺旋桨式旋转光束提供了一种新的方法。

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，本发明提出一种产生螺旋桨式旋转光束的装置。

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方案中，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，通过本技术方案中设计的光路可以方便地实现光束同轴叠加。

技术方案

一种产生螺旋桨式旋转光束的装置，其特征在于包括激光器1、光束扩大器2、空间光调制器3、傅里叶变换透镜4、双孔滤波器5、傅里叶逆变换透镜6、第一反射镜8、第三反射镜9、频移器10、分束镜11和第二反射镜12；激光器1出射的光经光束扩大器2扩束准直，通过空间光调制器3调制，调制后的光束经傅里叶变换透镜4变换到频域，在频谱面上经双孔滤波器5滤波后保留±1级频谱成分，再经过傅里叶逆变换透镜6后得到空间上分开且拓扑荷相反±m的两涡旋光束，其中一束经第三反射镜9进入频移器10，频移器对该光束产生变频；另一光束依次经过第一反射镜8和第二反射镜12，与变频后的光束一起经分束镜11同轴叠加得到螺旋桨式旋转光束；所述m为拓扑荷数；所述空间光调制器3的调制光是拓扑荷为m的涡旋全息图；所述的空间光调制器3为透射式空间光调制器。

其特征在于包括激光器1、光束扩大器2、空间光调制器3、傅里叶变换透镜4、双孔滤波器5、傅里叶逆变换透镜6、第一反射镜8、第三反射镜9、频移器10、分束镜11、第二反射镜12和半透半反镜14；激光器1出射的光经光束扩大器2扩束准直后的光束，先经过半透半反镜14后部分反射到反射式空间光调制器3调制，被调制后的光束原路返回并部分透射过半透半反镜14，透射光经傅里叶变换透镜4变换到频域，在频谱面上经双孔滤波器5滤波后保留±1级频谱成分，再经过傅里叶逆变换透镜6后得到空间上分开且拓扑荷相反±m的两涡旋光束，其中一束经第三反射镜9进入频移器10，频移器对该光束产生变频；另一光束依次经过第一反射镜8和第二反射镜12，与变频后的光束一起经分束镜11同轴叠加得到螺旋桨式旋转光束；所述m为拓扑荷数；所述空间光调制器3的调制光是拓扑荷为m的涡旋全息图，所述空间光调制器3为反射式空间光调制器。

采用图像采集器件将经分束镜11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。

在空间光调制器3上采用图形控制器控制调制光的拓扑荷m的涡旋全息图。

在频移器10上采用频差控制器控制频移器的频移量。

所述频移器为任何现有的声光频移器件或旋转玻片频移器件。

激光器1出射的光经光束扩大器2扩束准直，再由输入涡旋全息图(拓扑荷为m)的空间光调制器调制，调制后的光束经傅里叶变换透镜4变换到频域，在频谱面上经双孔滤波器5滤波后仅保留±1级频谱成分，经过傅里叶逆变换透镜6后，变成空间上分开且拓扑荷相反±m的两涡旋光束，其中一束7-1经第三反射镜9进入频移器10，频移器对光束7-1产生一个频移，另一光束7-2依次经过第一反射镜8、第二反射镜12，与变频后的光束7-1一起经合束镜11同轴叠加，叠加后的旋转强度图样由图像采集器件13探测得到。

有益效果

本发明提出的产生螺旋桨式旋转光束的装置，能方便地控制旋转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：本发明提出的产生螺旋桨式旋转光束的装置的第一种形式应用透射式空间光调制器结构图；

图2：本发明提出的产生螺旋桨式旋转光束的装置的第二种形式应用反透射式空间光调制器结构图；

1-激光光源，2-光束扩大器，3-空间光调制器，4-傅里叶变换透镜，5-双孔滤波器，6-傅里叶逆变换透镜，7-1-第一涡旋光束，7-2-第二涡旋光束，8-第一反射镜，9-第三反射镜，10-频移器，11-分束镜，12-第二反射镜，13-图像采集器件；14-半透半反镜；

图3：是利用图1或图2结构形式得到结果；其中，图abc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图样；其中的a₁b₁c₁为对应的数值模拟结果。

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。

激光器1出射的光经光束扩大器2扩束准直，并通过透射式空间光调制器调制3，调制后的光束经傅里叶变换透镜4变换到频域，在频谱面上经双孔滤波器5滤波后再经过傅里叶逆变换透镜6，变成空间上分开且拓扑荷相反±m的两涡旋光束，其中一束7-1经第三反射镜9进入频移器10，频移器对光束7-1产生一个频移，另一光束7-2依次经过第一反射镜8、第二反射镜12，与变频后的光束7-1一起经分束镜11同轴叠加，叠加后的旋转强度图样由图像采集器件13探测得到。探测所得的叠加效果图如图3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。

激光器1出射的光经光束扩大器2扩束准直，然后被半透半反镜14部分反射到反射式空间光调制器调制3表面，被调制后的光束原路返回并部分透射过半透半反镜14，透射光经傅里叶变换透镜4变换到频域，在频谱面上经双孔滤波器5滤波后再经过傅里叶逆变换透镜6，变成空间上分开且拓扑荷相反±m的两涡旋光束，其中一束7-1经第三反射镜8进入频移器10，频移器对光束7-1产生一个频移，另一光束7-2依次经过第一反射镜8、第二反射镜12，与变频后的光束7-1一起经分束镜11同轴叠加，叠加后的旋转强度图样由图像采集器件13探测得到。探测所得的叠加效果图如图3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。

通过本本发明产生与控制螺旋桨式的旋转光束的过程为：将拓扑荷为m的计算涡旋全息图经图形控制器分别输入空间光调制器3中，并且使双孔滤波器5仅保留±1级频谱成分。这样在傅里叶逆变换透镜6后得到分开的两束具有相反拓扑荷±m的同频LG涡旋光。简化的拉盖尔-高斯光束LG的表达式可写为

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

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

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10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。此时，合束镜11后输出的同轴叠加光束复振幅分布为：

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

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

其中：E₀₁＝E₀₂＝E，

Δω＝ω₁-ω₂                (4)

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定平面上，

为定值。根据余弦函数的周期性，在单个周期内

0≤N＜2m                                            (6)

在一个周期内N有2m个取值，即本技术产生的光斑具有2m个强度“叶片”。

另外，可得光斑的旋转角速度

$\mathrm{\Ω}=\frac{{\mathrm{d\θ}}_{\max }}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{2m}---\left(7\right)$

这时，合束镜11后输出的同轴叠加光束即为螺旋桨式的旋转光束，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，图样的叶片数目为偶数且为2m，m为输入计算涡旋全息图的拓扑荷数。在本技术中，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花样，控制频移器产生的频移大小即可控制光斑的转速。

Claims (6)

1.一种产生螺旋桨式旋转光束的装置，其特征在于包括激光器(1)、光束扩大器(2)、空间光调制器(3)、傅里叶变换透镜(4)、双孔滤波器(5)、傅里叶逆变换透镜(6)、第一反射镜(8)、第三反射镜(9)、频移器(10)、分束镜(11)和第二反射镜(12)；激光器(1)出射的光经光束扩大器(2)扩束准直，通过空间光调制器(3)调制，调制后的光束经傅里叶变换透镜(4)变换到频域，在频谱面上经双孔滤波器(5)滤波后保留±1级频谱成分，再经过傅里叶逆变换透镜(6)后得到空间上分开且拓扑荷相反±m的两涡旋光束，其中一束经第三反射镜(9)进入频移器(10)，频移器对该光束产生变频；另一光束依次经过第一反射镜(8)和第二反射镜(12)，与变频后的光束一起经分束镜(11)同轴叠加得到螺旋桨式旋转光束；所述m为拓扑荷数；所述空间光调制器(3)的调制光是拓扑荷为m的涡旋全息图；所述的空间光调制器(3)为透射式空间光调制器。

2.一种产生螺旋桨式旋转光束的装置，其特征在于包括激光器(1)、光束扩大器(2)、空间光调制器(3)、傅里叶变换透镜(4)、双孔滤波器(5)、傅里叶逆变换透镜(6、)第一反射镜(8)、第三反射镜(9)、频移器(10)、分束镜(11)、第二反射镜(12)和半透半反镜(14)；激光器(1)出射的光经光束扩大器(2)扩束准直后的光束，先经过半透半反镜(14)后部分反射到反射式空间光调制器(3)调制，被调制后的光束原路返回并部分透射过半透半反镜(14)，透射光经傅里叶变换透镜(4)变换到频域，在频谱面上经双孔滤波器(5)滤波后保留±1级频谱成分，再经过傅里叶逆变换透镜(6)后得到空间上分开且拓扑荷相反±m的两涡旋光束，其中一束经第三反射镜(9)进入频移器(10)，频移器对该光束产生变频；另一光束依次经过第一反射镜(8)和第二反射镜(12)，与变频后的光束一起经分束镜(11)同轴叠加得到螺旋桨式旋转光束；所述m为拓扑荷数；所述空间光调制器(3)的调制光是拓扑荷为m的涡旋全息图；所述空间光调制器(3)为反射式空间光调制器。

3.根据权利要求1或2所述的产生螺旋桨式旋转光束的装置，其特征在于：采用图像采集器件将经分束镜(11)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。

4.根据权利要求1或2所述的产生螺旋桨式旋转光束的装置，其特征在于：在空间光调制器(3)上采用图形控制器控制调制光的拓扑荷m的涡旋全息图。

5.根据权利要求1或2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(10)上采用频差控制器控制频移器的频移量。

6.根据权利要求1或2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(10)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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