CN106125353A - 通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法 - Google Patents

通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106125353A
CN106125353A CN201610367410.9A CN201610367410A CN106125353A CN 106125353 A CN106125353 A CN 106125353A CN 201610367410 A CN201610367410 A CN 201610367410A CN 106125353 A CN106125353 A CN 106125353A
Authority
CN
China
Prior art keywords
vortex
vortex beams
phase place
tangent
light distribution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610367410.9A
Other languages
English (en)
Inventor
孟宪东
康果果
夏绍燕
谭小地
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN201610367410.9A priority Critical patent/CN106125353A/zh
Publication of CN106125353A publication Critical patent/CN106125353A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/1313—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells specially adapted for a particular application
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optical Head (AREA)

Abstract

本发明公开了通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，在涡旋光束中引入正切相位，其相位表达式为其中l为正切相位涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，k为分开因子，至此就实现了涡旋光束光强分布的离散化；本发明方法能够将传统涡旋光束的光强分布离散化，即一束涡旋光束由若干个离散的子光束组成，同时不改变涡旋光束的基本特性。操作简单，能够扩展涡旋光束的应用潜能。

Description

通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法。
背景技术
“涡旋光束”这一专业术语是由Coullet等人在1989年第一次提出的。与常见的平面光束，球面光束等不同，涡旋光束以其独特的螺旋型相位分布结构而受到深入的研究。涡旋光束由于携带有确定大小的轨道角动量，因此被广泛的用在光镊系统中用来实现对微粒的旋转操作。涡旋光束的光强是呈现暗中空圆环分布的，在旋转微粒操作时，要将涡旋光束准确放在微粒所在的位置处才能实现操作。因此为了提高对微粒的操作效率，我们需要将强度分布为连续的暗中空涡旋光束加以改进，使在光镊系统中不需要精确对准便可以实现对微粒的旋转操作是值得探讨研究的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，能够将涡旋光束光强分布离散化。
实现本发明的技术方案如下：
一种通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，具体为将涡旋光束引入正切相位，其相位表达式为其中l为正切相位涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，k为分开因子，至此就实现了涡旋光束光强分布的离散化。
进一步地，所述正切相位涡旋光束是通过纯相位反射式液晶空间光调制器对高斯光束进行相位调制产生的。
有益效果：
本发明方法能够将传统涡旋光束的光强分布离散化，即一束涡旋光束由若干个离散的子光束组成，同时不改变涡旋光束的基本特性。操作简单，能够扩展涡旋光束的应用潜能。
附图说明
图1(a)为传统涡旋光束的相息图，l＝1；(b)为相应的光强分布图。
图2为函数曲线图。
图3(a)为以为相位表达式时编码生成的相息图；(b)为相应于图3(a)光强分布的数值模拟图。
图4(a)～(c)为正切相位涡旋光束的相息图，参数分别设定为(d)～(f)为相应于图4(a)～(c)的光强分布的数值模拟结果图。
图5(a)～(c)为正切相位涡旋光束的相息图，参数分别设定为(d)～(f)为相应于图5(a)～(c)的光强分布的数值模拟结果图。
图6为产生正切相位涡旋光束的装置图。
图7为对应于图4的光强分布的实验结果图。
图8为对应于图5的光强分布的实验结果图。
图9(a)为正切相位涡旋光束的光强分布图，(b)为其坡印廷矢量图
图10为正切相位涡旋光束的光强分布的三维图
其中，1-激光器，2-衰减片，3-平面反射镜，4-针孔滤波器，5-透镜，6-光阑，7-光束分束器，8-纯相位反射式液晶空间光调制器，9-傅里叶透镜，10-CMOS相机。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，具体过程如下：
以下对涡旋光束和正切函数进行相关说明：
对于传统的涡旋光束，其相位表达式为其中l为涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，其相应的相息图如图1(a)所示，取l＝1，那么对应的涡旋光束的光强分布图如图1(b)所示。从图中可以看出，涡旋光束呈现暗中空的能量分布，这是由于涡旋光束具有相位奇点的特性所导致的，其相位奇点存在于涡旋光束相息图的中心位置处。相位奇点即为当绕方位角旋转一周时，在相息图的最中心位置处，其相位值是不固定的。
做出函数曲线图，如图2所示。从图中可以发现，该函数在θ＝π/2和3π/2处，有函数值的突变现象存在，利用正切函数的这一特点，我们将其引入到相位表达式中。
以为相位表达式，做出相应的相息图，如图3(a)所示，对应的光强分布图如图3(b)所示。从相息图3(a)中可以发现，由正切相位的引入，导致了在方位角θ＝π/2和3π/2附近存在相位紊乱现象，即存在相位奇点，进而体现在光强分布图中即有两处光强为零的区域，这使得一束光束变为由两束独立的 子光束组成。
为此，我们在传统涡旋光束中引入正切相位，即改进为正切相位涡旋光束，正切相位涡旋光束的相位表达式定义为其中l为正切相位涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，k为分开因子。其中参数拓扑荷数l及分开因子k对正切相位涡旋光束的光强分布是有一定影响的，即有各自的作用。同时，当θ≈0,k＝1时，ktan(lθ)≈lθ，那么此时正切相位涡旋光束的相位表达式变为 这与传统涡旋光束的相位表达式是相同的。因此，正切相位涡旋光束同时具有传统涡旋光束的一些性质。
以下对于正切相位涡旋光束的性能进行进一步探究：
保持k＝5不变，改变参数l的数值，将其数值分别设定为1,2,3。以此编码得出的正切相位涡旋光束的相息图如图4(a)～(c)所示，相应的光强分布的数值模拟结果如图4(d)～(f)所示。
由正切函数具有周期性的特点，对于正切函数其周期大小取决于参数l的数值大小。那么在正切相位涡旋光束的相位分布中，拓扑荷数l决定了当方位角从0变化到2π时相位奇变范围出现的次数。图4(a)～(c)证明了这一点，随着拓扑荷数的增加，在相息图中相位奇异范围出现的次数也随之增加，并且相位奇异出现的次数与拓扑荷数l是存在确定的关系，即相位奇异范围出现的次数为2l次。进而体现在光强分布图4(d)～(f)中为，正切相位涡旋光束是由若干子光束组成的，拓扑荷数l决定了其子光束的数目，并且子光束的数目是确定的，为2l个。
因此，在正切相位涡旋光束中，参数l是改变子光束数目的参数。可以得出，通过将正切函数引入到涡旋光束的相位表达式中，可以达到将传统涡旋光束光强分布离散化的目的，并且所得到的子光束的数目也是可控的。
同样保持参数l＝2保持不变，改变k的数值，将其数值分别设定为1,3,5。以此得出的相息图如图5(a)～(c)所示，相应的光强分布的数值模拟图如图5(d)～(f)所示。由于分开因子k的存在，在相息图中的相位奇点附近的像素点也将变成相位奇点，并且每个相位奇点的范围大小是由参数k的数值大小决定的，即如图5(a)～(c)所示，随着分开因子k的数值的增加，在相息图中相位奇异点的范围也是增大的。进而体现在光强分布中，参数k决定了子光束分开的距离，并且子光束之间分开的距离随着参数k的增大而增大，即图5(d)～(f)所示。
因此，在正切相位涡旋光束中参数k是改变子光束数目之间分开距离的参数。
以下利用实验验证正切相位涡旋光束：
对上述数值模拟光强分布结果在光路中进行进一步的实验验证，实验装置图如图6所示，图6即为用来产生正切相位涡旋光束的装置图。图中各个元件上字母符号所代表的含义及其在激光光路系统中的作用分别为：
1：激光器，波长为632.8nm，其为光源；
2：衰减片，置于激光器的后方，用于衰减激光的能量；
3：平面反射镜，在光路中用于调整及准直光路；
4：针孔滤波器，置于平面反射的后方，用来滤波，并产生点光源；
5：透镜，焦距f1＝100mm，与针孔滤波器的距离为一倍焦距，用于使点光源发出的光束变为平面波传输；
6：光阑，置于透镜L1的后方，用于滤出杂散光；
7：光束分束器，可以透射光，也可以反射光；
8：SLM，纯相位反射式液晶空间光调制器(holoeye，像素数目：1920×1080)，其作用是利用计算机将设计好的相息图加载上去时，它可以实现对入射光束的 纯相位调制，产生正切相位涡旋光束。
9：傅里叶透镜，焦距f2＝150mm，实现对入射光束的傅里叶变换作用，使光束在透镜的焦点处生成；
10：CMOS相机，在激光光路中置于傅里叶变换透镜的后方焦平面位置处，用于显示变换后的衍射光场。
将上述数值模拟所设计好的相息图，即图4(a)～(c)与图5(a)～(c)，分别加载到SLM上，则在激光光路中SLM将会把入射光束纯相位调制成为正切相位涡旋光束，并由CMOS采集得到其衍射场的光强分布情况，采集得到的结果分别如图7(a)～(c)及图8(a)～(c)所示。这样便产生了正切相位的涡旋光束，达到了将传统涡旋光束强度分布离散化的目的，其强度分布是等间隔的，不连续的。从图7与图8中得到的正切相位涡旋光束的光强分布，可以发现，参数l决定了子光束的数目，参数k可以改变子光束之间的分开距离。
为更深入探讨正切相位涡旋光束的光束特性及其在对微粒操作上的应用，做出了正切相位涡旋光束的坡印廷矢量图，如图9(b)所示，图9(a)是以 为相位表达式的正切相位涡旋光束的光强分布图。同时正切相位涡旋光束的坡印廷矢量方向我们已经在图中用箭头标出，它是旋转分布的。利用这一性质，可以将正切相位涡旋光束应用在光镊中，实现对微小粒子在横截面上的旋转操作。
图10为正切相位涡旋光束光强分布的三维图。从该三维图中可以看出正切相位涡旋光束光强分布的梯度力方向，为由边缘的弱光强位置指向中心的强光强位置，在图中已经用箭头标识出。因此在光镊系统中，正切相位涡旋光束可将处在弱光强位置处的微粒通过光束梯度力的作用牵引到强光强位置处，然后对这些微粒进行旋转操作。
自此，就实现了通过引入正切相位将传统涡旋光束光强分布离散化的设计。
将传统的涡旋光束改进为正切相位涡旋光束，可以使涡旋光束的强度分布离散化，即一束主光束由若干子光束组成，这样做可以扩展涡旋光束在光镊系统中的应用领域，同时应用在空间光编码方面，可以提高编码密度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，其特征在于，在涡旋光束中引入正切相位，其相位表达式为其中l为正切相位涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，k为分开因子，至此就实现了涡旋光束光强分布的离散化。
2.如权利要求1所述的通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，其特征在于，所述正切相位涡旋光束是通过纯相位反射式液晶空间光调制器对高斯光束进行相位调制产生的。
CN201610367410.9A 2016-05-30 2016-05-30 通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法 Pending CN106125353A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610367410.9A CN106125353A (zh) 2016-05-30 2016-05-30 通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610367410.9A CN106125353A (zh) 2016-05-30 2016-05-30 通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106125353A true CN106125353A (zh) 2016-11-16

Family

ID=57269888

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610367410.9A Pending CN106125353A (zh) 2016-05-30 2016-05-30 通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106125353A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3352002A1 (en) * 2017-01-24 2018-07-25 The Boeing Company Electromagnetic effect resistant spatial light modulator
CN109061876A (zh) * 2018-07-31 2018-12-21 西安理工大学 一种利用相位奇点判断拓扑荷数的方法
WO2020037813A1 (zh) * 2018-08-24 2020-02-27 深圳大学 双耳圆形衍射光阑及涡旋光拓扑荷数检测系统与检测方法
CN112910551A (zh) * 2021-01-21 2021-06-04 淮阴工学院 基于全息图的多信道轨道角动量编解码方法
CN113589560A (zh) * 2021-07-28 2021-11-02 北京理工大学 基于角向二值化相位的轨道角动量光梳生成方法与系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101907780A (zh) * 2010-07-09 2010-12-08 浙江大学 实现远场超分辨聚焦的方法和装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101907780A (zh) * 2010-07-09 2010-12-08 浙江大学 实现远场超分辨聚焦的方法和装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIUMIN GAO ETAL: "Experimental observation of tangent-azimuthal non-spiral optical vortex", 《OPTIK》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3352002A1 (en) * 2017-01-24 2018-07-25 The Boeing Company Electromagnetic effect resistant spatial light modulator
CN108345129A (zh) * 2017-01-24 2018-07-31 波音公司 抗电磁效应空间光调制器
JP2018120207A (ja) * 2017-01-24 2018-08-02 ザ・ボーイング・カンパニーＴｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ 耐電磁効果空間光変調器
JP7058489B2 (ja) 2017-01-24 2022-04-22 ザ・ボーイング・カンパニー 耐電磁効果空間光変調器
CN108345129B (zh) * 2017-01-24 2023-06-16 波音公司 可重配置光学装置和用于生成光学涡流的方法
CN109061876A (zh) * 2018-07-31 2018-12-21 西安理工大学 一种利用相位奇点判断拓扑荷数的方法
CN109061876B (zh) * 2018-07-31 2020-11-17 西安理工大学 一种利用相位奇点判断拓扑荷数的方法
WO2020037813A1 (zh) * 2018-08-24 2020-02-27 深圳大学 双耳圆形衍射光阑及涡旋光拓扑荷数检测系统与检测方法
CN112910551A (zh) * 2021-01-21 2021-06-04 淮阴工学院 基于全息图的多信道轨道角动量编解码方法
CN113589560A (zh) * 2021-07-28 2021-11-02 北京理工大学 基于角向二值化相位的轨道角动量光梳生成方法与系统
CN113589560B (zh) * 2021-07-28 2022-05-24 北京理工大学 基于角向二值化相位的轨道角动量光梳生成方法与系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106125353A (zh) 通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法
Lu et al. Abruptly autofocusing property and optical manipulation of circular Airy beams
Fan et al. Broadband generation of photonic spin-controlled arbitrary accelerating light beams in the visible
WO2012150566A1 (en) Space variant polarization converter
Zhao et al. Specially shaped Bessel-like self-accelerating beams along predesigned trajectories
Ismail et al. Shape invariant higher-order Bessel-like beams carrying orbital angular momentum
Sun et al. Abruptly autofocusing properties of radially polarized circle Pearcey vortex beams
CN103869386B (zh) 一种利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置
Wang et al. Study of characteristics of vortex beam produced by fabricated spiral phase plates
Qu et al. Design of refractive/diffractive hybrid optical elements for beam shaping with large diffraction pattern
Chen et al. Spatiotemporal rapidly autofocused ring Pearcey Gaussian vortex wavepackets
CN103235413B (zh) 一种利用相位板控制焦点位置方法
Qin et al. Breaking the diffraction limit in far field by planar metalens
Chen et al. Generation of large orbital angular momentum from superposed Bessel beams corresponding to resonant geometric modes
Lee et al. Optical steering of high and low index microparticles by manipulating an off-axis optical vortex
CN209590317U (zh) 一种长聚焦闪耀型负折射光栅透镜
CN104007553A (zh) 一种扩大衍射光学光束整形器件有效衍射场的方法
CN104238135A (zh) 一种双焦点距离控制装置
CN108415176B (zh) 一种操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置及方法
Lin et al. Analysis of sub-wavelength focusing generated by radially polarized doughnut Gaussian beam
Yuan et al. Manipulating the magnetic energy density and energy flux by cylindrically symmetric state of polarization
CN204807812U (zh) 可产生单个局域空心光束和周期性局域空心光束的光学系统
Qian et al. Generation of high-power bottle beams and autofocusing beams
Liang et al. Fabrication of large-size photonic crystals by holographic lithography using a lens array
CN102402006A (zh) 一种用于产生空心光束的位相型光瞳滤波器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20161116

RJ01 Rejection of invention patent application after publication