CN105988261B - 一种涡旋光场产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光学技术领域，提供一种涡旋光场产生装置，包括涡旋光产生系统、泵浦光产生系统、非共线光参量放大器以及模式记录分析系统；窄带涡旋光束入射非共线光参量放大器形成窄带涡旋信号光，宽带泵浦光入射非共线光参量放大器泵浦窄带涡旋信号光以发生三波耦合非线性转换，产生具有宽带涡旋光场的闲频光，闲频光与窄带涡旋信号光在拓扑电荷数上具有互逆关系，闲频光通过模式分析记录系统进行分析记录。本发明使宽带泵浦光在非共线光参量放大器中泵浦窄带涡旋信号光以发生三波耦合获得闲频光，不但将窄带涡旋转换为宽带涡旋，同时可实现波长、频率转换，解决了传统涡旋光束带宽较窄、频率种类较少的问题，满足了宽带涡旋光的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及涡旋光技术领域，尤其涉及一种涡旋光场产生装置。
背景技术
涡旋光束是指一类具有连续螺旋状波前相位和具有确定光子轨道角动量的特殊光束。其螺旋相位中心处的光强为零，且中心处的相位无法确定。其最为一般的特征是其电场表达式含有相位因子exp(imθ)，其中m称为拓扑电荷数。由于光学涡旋具有独特的相位和光强分布及具有较大的轨道角动量，从而在光学微操纵、自由空间光通信、量子信息论和光控光开关等领域得到了广泛的研究和应用。自1989年，人们首次引入了“光学涡旋”这一概念以来。涡旋光束的研究仅有几十年的时间，但已然成为现代光学领域的一个重要分支。
目前，产生涡旋光束的方法主要有几何模式转化法、螺旋相位板法和计算全息法三种。其中前两种方法对光学器件的制作精度要求较高，制作较难，不灵活，产生涡旋光束的参数也难以控制；计算全息法应用比较广泛，具有灵活、快速和计算机实时可控等优点，但是衍射效率较低(最高为27.5％)，无法抑制不需要的衍射级，对全息图的精确度也要求严格，光路较复杂。除此之外，随着液晶空间光调制器(LCSLM)制作工艺的不断提高，2002年Jennifer提出利用反射式纯相位型LCSLM产生涡旋光束的方法。此方法与计算全息法一样，具有动态、实时、响应时间快、高的控制精度和分辨率等优点。同时，与计算全息法相比，还具有能量转换效率高(可达60％以上)、技术简单和便于集成到光学系统中等优点。
但由于连续激光的高单色性，直接利用以上三种方法产生的涡旋光束都是窄带的涡旋光束，且能产生的涡旋光的频率的种类也比较少。这对于要使用宽带涡旋光的应用是不利的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种涡旋光场产生装置，旨在解决现有技术中对窄带涡旋光束进行转换的问题，以获得宽带涡旋光束，并实现非线性波长转换。
本发明是这样实现的，一种涡旋光束产生装置，包括用于产生窄带涡旋光束的涡旋光产生系统、用于产生宽带泵浦光的泵浦光产生系统、非共线光参量放大器以及模式记录分析系统；所述窄带涡旋光束入射所述非共线光参量放大器形成窄带涡旋信号光，所述宽带泵浦光入射所述非共线光参量放大器泵浦所述窄带涡旋信号光以发生三波耦合非线性转换，产生具有宽带涡旋光场的闲频光，所述闲频光与所述窄带涡旋信号光在拓扑电荷数上具有互逆关系，所述闲频光自所述非共线光参量放大器输出后，通过所述模式分析记录系统进行分析与记录。
本发明基于非共线光参量放大技术，通过涡旋光产生系统产生具有一定拓扑电荷数的窄带涡旋光束，通过泵浦光产生系统产生宽带泵浦光，并将宽带泵浦光和窄带涡旋光束入射非共线光参量放大器。在该非共线光参量放大器中泵浦窄带涡旋信号光以发生三波耦合，进行带宽、频率及能量的非线性转换，获得改变了拓扑电荷数的闲频光，该装置不但将窄带涡旋转换为宽带涡旋，同时可实现波长、频率转换，并且产生的涡旋相位可灵活控制，具有宽带、高增益，实时转换的特性，解决了传统涡旋光束带宽较窄、频率种类较少的问题，满足了宽带涡旋光的应用需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的涡旋光场产生装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，本发明实施例提供一种涡旋光束产生装置，包括用于产生窄带涡旋光束的涡旋光产生系统10、用于产生宽带泵浦光的泵浦光产生系统20、非共线光参量放大器30以及模式记录分析系统40；窄带涡旋光束入射非共线光参量放大器30形成窄带涡旋信号光，宽带泵浦光入射非共线光参量放大器30，用于泵浦窄带涡旋信号光以发生三波耦合非线性转换，包含频率、带宽、拓扑电荷数和能量的转换，产生具有宽带涡旋光场的闲频光，该闲频光与窄带涡旋信号光在拓扑电荷数上具有互逆关系，闲频光自非共线光参量放大器30输出后，通过模式记录分析系统40进行闲频光检测与记录分析，以获得转换的效果。
本发明实施例基于非共线光参量放大技术，通过涡旋光产生系统10产生具有一定拓扑电荷数的窄带涡旋光束，通过泵浦光产生系统20产生泵浦光，并将宽带泵浦光和窄带涡旋光束入射非共线光参量放大器30，在该非共线光参量放大器30中泵浦窄带涡旋信号光以发生三波耦合并进行非线性转换，获得改变了拓扑电荷数的具有宽带涡旋光场的闲频光，不但将窄带涡旋转换为宽带涡旋，同时可实现波长、频率转换，并且产生的涡旋相位可灵活控制，具有宽带、高增益、实时转换的特性，解决了传统涡旋光束带宽较窄、频率种类较少的问题，满足了宽带涡旋光的应用需求。
在本发明实施例中，泵浦光产生系统20包括飞秒级的脉冲激光器201，用于产生超短脉冲的基频光，在基频光的传输路径上设置倍频单元202、波长分束器203，倍频单元202用于对超短脉冲基频光进行倍频，波长分束器203的透光侧设有挡板204，反光侧设置倍频光扩束单元205。经过倍频单元202输出的光束含有基频光和倍频光，其中，基频光经波长分束器203透射后由挡板204吸收，上转换的倍频光经波长分束器203反射后，再经过倍频光扩束单元205进行扩束，得到宽带泵浦光，同时通过扩束尽可能达到将窄带涡旋信号光完全泵浦的目的。
进一步地，在脉冲激光器201和倍频单元202之间还设有缩束单元206，用于将超短脉冲激光的光斑变小，在倍频光扩束单元205和非共线光参量放大器30之间还设有反射镜组207，用于折叠光路，以减小占用空间。非共线光参量放大器30位于反射镜组207之后的光路上。
当然，还可以在非共线光参量放大器30后设置若干反射镜以压缩光路，在不同的应用场景中，反射镜的数量和安装位置可以根据需要做出变动。
在本实施例中，涡旋光产生系统10包括连续照明激光器101，用于产生窄带连续激光，还包括空间光调制器102，用于接收窄带连续激光并产生具有一定拓扑电荷数的窄带涡旋光束。进一步地，在连续照明激光器101和空间光调制器102之间设有：第一光阑103、起偏器104、连续激光扩束单元105、第二光阑106以及分束器107，其中，第一光阑103靠近连续照明激光器101设置，起偏器104用于获得线偏振光，连续激光扩束单元105用于将窄带连续激光的光斑尺寸变大并准直为平行光束，第二光阑106用于控制该平行光束入射到空间光调制器102上的有效面积，空间光调制器102设置于分束器107的透光侧，分束器107的反光侧还设有第三光阑108以及第一透镜109。上述平行光束经分束器107透射后进入空间光调制器102，转换为窄带涡旋光束，空间光调制器102优选为反射式纯相位空间光调制器102，该窄带涡旋光束经空间光调制器102反射输出后再由分束器107反射至第三光阑108，第三光阑108用于使窄带涡旋光束的+1级衍射光通过并去除其他级次衍射光的影响，经第三光阑108输出的窄带涡旋光束由第一透镜109聚焦以便在非共线光参量放大器30中进行非线性转换。具体地，该窄带涡旋光束和宽带泵浦光沿不同的方向入射到非共线光参量放大器30中，在其中发生三波耦合非线性转换，产生宽带的涡旋光场，即获得闲频光，并且在非共线的结构下分离出闲频光。
在本发明实施例中，模式记录分析系统40包括设置于闲频光的输出光路上的模式分析器401、第二透镜402以及成像装置403，其中，模式分析器401靠近非共线光参量放大器30设置，闲频光经过模式分析器401进行模式分析后经过第二透镜402成像于成像装置403上，通过成像获取闲频光的信息，分析涡旋光转换效果。成像装置403可以采用CCD，也可以用其他记录装置。
在本实施例中，飞秒量级的脉冲激光器201可以选用800nm的钛宝石飞秒激光器，或者其他波长飞秒激光器，但并不局限于上述两种。泵浦光的波长可以是基波，也可以是二次谐波、甚至是三次谐波，其泵浦光波长的选取取决于对窄带涡旋信号光的参量放大需要和所要得到的闲频光的波长。
本发明实施例选择窄带连续激光入射到空间光调制器102产生可控拓扑电荷数的窄带涡旋光。利用光学系统将该窄带涡旋光入射到非共线光参量放大器30上，当宽带泵浦光在此光参量放大器中与连续的窄带涡旋光相遇时，发生带宽、频率和拓扑荷数及能量的转换，根据三波耦合非线性作用原理，从非共线光参量放大器30产生的闲频光携带有与窄带涡旋信号光的拓扑荷数互逆的宽带涡旋光。利用模式分析器401和成像装置403如CCD相机分别分析和记录所产生的宽带闲频光。在该装置中，超短脉冲的宽带泵浦光相当于宽带激光源和能量供应器，而非共线光参量放大器30发生了带宽、频率、拓扑荷数转换及能量转换，所得闲频光能量的增益既取决于非共线光参量放大器30的类型、厚度外，也取决于宽带泵浦光的强度。
本发明还具有以下优点：所用连续照明激光器101结构紧凑，价格便宜，因而方便更换。连续照明激光器101发出的连续激光的波长可以根据所需要得到的闲频光的波长进行选取，也可以选用可调谐激光器，波长选择非常方便。
飞秒量级的脉冲激光可以有高达几百GW/cm2的泵浦强度，具有高参量增益和宽带特性，有利于提高转换效率及适用弱信号的放大。
使用连续激光产生窄带涡旋光束与超短脉冲的宽带泵浦光相互作用，无需同步装置，使该装置空间结构更加紧凑。
以上仅为本发明实施例之一，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种涡旋光场产生装置，其特征在于，包括用于产生窄带涡旋光束的涡旋光产生系统、用于产生宽带泵浦光的泵浦光产生系统、非共线光参量放大器以及模式记录分析系统；所述窄带涡旋光束入射所述非共线光参量放大器形成窄带涡旋信号光，所述宽带泵浦光入射所述非共线光参量放大器泵浦所述窄带涡旋信号光以发生三波耦合非线性转换，产生具有宽带涡旋光场的闲频光，所述闲频光与所述窄带涡旋信号光在拓扑电荷数上具有互逆关系，所述闲频光自所述非共线光参量放大器输出后，通过所述模式分析记录系统进行分析与记录。
2.如权利要求1所述的涡旋光场产生装置，其特征在于，所述泵浦光产生系统包括用于产生基频光的飞秒级的脉冲激光器、依次设置于所述脉冲激光器的输出路径上的倍频单元、用于分离所述基频光和倍频光的波长分束器、设置于所述波长分束器的透光侧的挡板以及设置于所述波长分束器的反光侧的倍频光扩束单元。
3.如权利要求2所述的涡旋光场产生装置，其特征在于，所述泵浦光产生系统还包括位于所述脉冲激光器和倍频单元之间的缩束器，以及位于所述倍频光扩束单元和所述光参量放大器之间的反射镜组。
4.如权利要求1所述的涡旋光场产生装置，其特征在于，所述涡旋光产生系统包括产生窄带连续激光的连续照明激光器或者可调谐激光器，以及用于接收所述窄带连续激光并产生窄带涡旋光束的空间光调制器。
5.如权利要求4所述的涡旋光场产生装置，其特征在于，所述涡旋光产生系统还包括依次设置于所述连续照明激光器和所述空间光调制器之间的第一光阑、起偏器、连续激光扩束单元、第二光阑以及分束器，所述空间光调制器设置于所述分束器的透光侧，还包括设置于所述分束器的反光侧的第三光阑以及第一透镜；所述连续激光扩束单元用于将所述窄带连续激光的光斑尺寸变大并准直为平行光束，所述第二光阑用于控制所述平行光束入射到所述空间光调制器上的有效面积，所述第三光阑用于使所述窄带涡旋光束的+1级衍射光通过并去除其他级次衍射光的影响，所述第一透镜用于聚焦所述窄带涡旋光束以便进行非线性转换。
6.如权利要求4所述的涡旋光场产生装置，其特征在于，所述空间光调制器为反射式纯相位空间光调制器。
7.如权利要求1～6任一项所述的涡旋光场产生装置，其特征在于，所述宽带泵浦光与窄带涡旋光束非共线入射所述光参量放大器，所述闲频光与所述非共线光参量放大器输出的其他光束非共线。
8.如权利要求1～6任一项所述的涡旋光场产生装置，其特征在于，所述模式记录分析系统包括设置于所述闲频光的输出光路上的模式分析器、第二透镜以及成像装置。
9.如权利要求8所述的涡旋光场产生装置，其特征在于，所述成像装置为CCD。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190104 Termination date: 20190718 |