CN106896498A - 拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法，该拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置包括：激光器，用于发出高斯光束；第一凸透镜，用于扩束高斯光束；第二凸透镜，用于准直扩束后的高斯光束；计算机，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对数字微镜器件的入射光束进行振幅或/和位相调制；数字微镜器件，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束。本发明具有很高的损伤阈值，同时有非常快的响应速度，且装置结构简单易懂，稳定性好，制造成本低，在机械加工，生物医学治疗，军事领域，信息传输，微操控等方面应用广泛。

Description

拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量仪器技术领域，具体涉及一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法。

背景技术

在光学领域中，拉盖尔高斯光束是指光场满足：

的光束，其中代表拉盖尔多项式，通过改变l和p的数值，可以改变拉盖尔高斯光束的形态，从而得到不同阶数的拉盖尔高斯光束。

由于拉盖尔高斯光束(LG光束)中携带涡旋相位项，使得光束的中心具有奇异性，从而在光束中心形成了中空对称模式。这种柱对称模式可以用径向和角向因子p和l来描述,且在传播过程中p，l保持不变。拉盖尔高斯光束作为涡旋光束的代表，在诸多领域得到了广泛应用，也是理解涡旋光束特性的基本光束。

对于拉盖尔高斯光束的研究，目前一直只停留在实验室中，且只能产生低阶的拉盖尔高斯光束，因此其应用十分受限。而且目前产生所述拉盖尔高斯光束的装置及方法都具有结构复杂、稳定性差的缺点。例如，目前实验室中用来产生涡旋光束的方法中比较常见且高效的是采用空间光调制器或螺旋相位板，将固体激光器输出的高斯光，入射到加载了产生目标涡旋光束相位的空间光调制器或螺旋相位板上，出射的光束就是涡旋光束。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中产生拉盖尔高斯光束的装置及方法都具有结构复杂、稳定性差的缺点的技术问题，本发明提出一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法，选用了数字微镜器件(DMD)来产生涡旋光束，实验时可以加载LG光束的振幅或相位或者两者结合来产生LG光束。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，包括：

激光器，用于发出高斯光束；

第一凸透镜，用于扩束高斯光束；

第二凸透镜，用于准直扩束后的高斯光束；

计算机，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对数字微镜器件的入射光束进行振幅或/和位相调制；

数字微镜器件，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束，拉盖尔高斯光束表示为：

其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w₀为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/z_R)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P₀为初始输入功率。

进一步地，还包括：

针孔，用于将从数字微镜器件反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声。

进一步地，所述激光器为633nm的He-Ne激光器，计算机与数字微镜器件通过USB线连接。

进一步地，所述计算机产生叉形的衍射光栅的方法为：把带有l个拓扑电荷的涡旋相位项exp(ilφ)和单位平面波exp(-ikx)进行干涉，在光束的束腰处横向干涉结果表达为：

I＝|exp(-ikx)+exp(ilφ)|²。

一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生方法，包括如下步骤：

步骤S1、使用激光器发出高斯光束；

步骤S2、使用第一凸透镜对高斯光束进行扩束；

步骤S3、使用第二凸透镜对扩束后的高斯光束进行准直；

步骤S4，准直的部分相干高斯光束到达数字微镜器件后，通过计算机产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，在数字微镜器件上对准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和位相调制，产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束以反射方式出射，拉盖尔高斯光束表示为：

其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w₀为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/z_R)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P₀为初始输入功率。

进一步地，还包括步骤S5，使用针孔对从数字微镜器件反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声。

进一步地，所述计算机产生叉形的衍射光栅的方法为：把带有l个拓扑电荷的涡旋相位项exp(ilφ)和单位平面波exp(-ikx)进行干涉，在光束的束腰处横向干涉结果表达为：

I＝|exp(-ikx)+exp(ilφ)|²。

一种拉盖尔高斯涡旋光束的三维重建装置，包括：

激光器，用于发出高斯光束；

第一凸透镜，用于扩束高斯光束；

第二凸透镜，用于准直扩束后的高斯光束；

数字微镜器件，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束，拉盖尔高斯光束表示为：

其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w₀为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/z_R)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P₀为初始输入功率；

反射镜，用于对从数字微镜器件上发射出来的拉盖尔高斯涡旋光束进行反射；

针孔，用于对从反射镜反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声；

图像传感器，用于对拉盖尔高斯涡旋光束进行成像；

测量平台，用于使图像传感器沿着光束传播方向前后移动，以接收不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束；

计算机，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对入射光束进行振幅或/和位相调制；

还用于对不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束用Matlab进行处理，运用光强等值面对其进行渲染并透明化处理，使它们的光强三维可视化，对拉盖尔高斯光束进行三维重建。

进一步地，所述图像传感器为单色CCD传感器。

一种拉盖尔高斯涡旋光束的三维重建方法，包括：

步骤S1、使用激光器发出高斯光束；

步骤S2、使用第一凸透镜对高斯光束进行扩束；

步骤S3、使用第二凸透镜对扩束后的高斯光束进行准直；

步骤S4，准直的部分相干高斯光束到达数字微镜器件后，通过计算机产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，在数字微镜器件上对准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和位相调制，产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束以反射方式出射，拉盖尔高斯光束表示为：

其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w₀为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/z_R)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P₀为初始输入功率；

步骤S5，使用反射镜对从数字微镜器件上发射出来的拉盖尔高斯涡旋光束进行反射；

步骤S6，使用针孔对从反射镜反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声；

步骤S7，前后移动测量平台，使单色图像传感器沿着光束传播方向前后移动，以接收不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束；

步骤S8，使用计算机对不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束用Matlab进行处理，运用光强等值面对其进行渲染并透明化处理，使它们的光强三维可视化，对拉盖尔高斯光束进行三维重建。

与现有技术相比，本发明的数字微镜器件(DMD)和空间光调制器相比，具有很高的损伤阈值，同时有非常快的响应速度。且装置结构简单易懂，稳定性好，制造成本低，为拉盖尔高斯涡旋光束的产生及三维重建提供了一种切实可行的办法，在机械加工，生物医学治疗，军事领域，信息传输，微操控等方面应用广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为产生拉盖尔高斯涡旋光束实验装置图；

图2为拉盖尔高斯涡旋光束的理论光强模拟图；

图3为拉盖尔高斯涡旋光束的理论相位模拟图；

图4中(a)为LG22模的振幅图；(b)为平面光与拓扑电荷为l＝2的涡旋的干涉图；(c)为(a)与(b)乘积的归一化模；(d)为加载到DMD上的抖动处理模式图；

图5为利用图1装置测得的拉盖尔高斯涡旋光束光强图；

图6为利用图1装置测得的拉盖尔高斯涡旋光束相位图；

图7为三维重建拉盖尔高斯涡旋光束实验装置图；

图8为实验测得的不同模式的拉盖尔高斯涡旋光束的光强图，(a)LG00，(b)LG11，(c)LG22，(d)LG33；

图9为实验三维重建的拉盖尔高斯涡旋光束图，(a)LG00，(b)LG11，(c)LG22，(d)LG33。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明第一实施例提供一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，包括：

激光器10，用于发出高斯光束；激光器为633nm的He-Ne激光器；

第一凸透镜(L1)20，用于扩束高斯光束；

第二凸透镜(L2)30，用于准直扩束后的高斯光束；

计算机(PC)50，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对数字微镜器件的入射光束进行振幅或/和位相调制；计算机与数字微镜器件通过USB线连接；

数字微镜器件(DMD)40，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束；

针孔(PH)60，用于将从数字微镜器件反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声。

所述装置还进一步包括：图像传感器70，用于对拉盖尔高斯涡旋光束进行成像。图像传感器70为CCD传感器。在本实例中，图像传感器70为单色图像传感器。

本发明实施例依据的原理如下：

考虑LG光束在自由空间沿z方向传输，数学形式上，拉盖尔高斯光束是柱坐标系下波动方程的解，波动方程为：

在这个方程中，可以对r和进行分离变量，从而解出柱坐标系下的拉盖尔高斯模的解如下：

其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w₀为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)。R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/z_R)为轴对称光波的Gouy相移，对LG光束的相位也有影响。由决定的归一化常数，其值为其中P₀为初始输入功率。

其中(2)式是本实施例的核心。根据上面的解析描述，可以利用计算机模拟出LG光束的光强和相位信息。当z＝0时，径向节线p＝0,1,2,3,4和角向节线l＝0,1,2,3,4组合得到的拉盖尔高斯光束的理论光强和相位分别如图2和图3所示。

产生的拉盖尔高斯涡旋光束的光强及相位受参数p和l的调制：径向节线p决定了其光束横截面振幅径向节点的数量，角向节线l决定了角向节点的数量。对于涡旋模式，角向节线l还决定了出现在以r为半径的圆周内2π相移改变的数量和光束中每个光子携带的轨道角动量大小，即每个光子携带有的轨道角动量。当l≠0时，由于涡旋相位的存在，光束的形状是面包圈形状的，当拓扑电荷数越多，其环的半径也越大。由此说明可以通过调节参数p和l来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束。

本发明用叉形的衍射光栅来产生涡旋光束。这种衍射光栅可以通过计算机数字化产生，即把带有l个拓扑电荷的涡旋相位项exp(ilφ)和单位平面波exp(-ikx) 进行干涉，在光束的束腰处(z＝0)横向干涉结果可表达为：

I＝|exp(-ikx)+exp(ilφ)|²

用计算机产生的该叉形结构加载到DMD上，其实际构成一个衍射光栅，如图4所示，可以使入射的光衍射成0级，±1级,±2级...等各级衍射光。另一方面，DMD表面本身由大量的微镜构成，各微镜之间有空隙，DMD本身就是一个二维光栅结构，因此加载到DMD上的模式对于入射光来说，其等效为两个光栅。实验中加载到DMD上的LG光束的振幅部分可表示如下：

图4(a)为LG22模的振幅。

综上所述，本实施例提供的产生拉盖尔高斯涡旋光束的装置用Matlab编写程序对DMD的状态进行控制，并把计算机设计所得到的图像加载到DMD上，从而达到对输入光束的控制而实现拉盖尔高斯涡旋光束的产生。

实施例二

本发明第二实施例提供一种图1所述产生拉盖尔高斯涡旋光束的装置的实施流程，即一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生方法，用于产生拉盖尔高斯涡旋光束的光强和相位模式，包括如下步骤：

步骤S1、使用激光器发出高斯光束；激光器为633nm的He-Ne激光器。

步骤S2、使用第一凸透镜对高斯光束进行扩束。

步骤S3、使用第二凸透镜对扩束后的高斯光束进行准直。

步骤S4，准直的部分相干高斯光束到达数字微镜器件后，通过计算机产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，在数字微镜器件上对准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和位相调制，产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束以反射方式出射。

所述DMD上加载的拉盖尔高斯光束的振幅和相位符合公式：

所述计算机产生叉形的衍射光栅的方法为：把带有l个拓扑电荷的涡旋相位项exp(ilφ)和单位平面波exp(-ikx)进行干涉，在光束的束腰处(z＝0)横向干涉结果表达为：

I＝|exp(-ikx)+exp(ilφ)|²。

步骤S5，使用针孔对从数字微镜器件反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声。

步骤S6，使用单色图像传感器CCD接收不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束。

在本实施例中，测量装置包括：He-Ne激光器10(发射波长为633nm的光)、扩束镜(L1)20、准直透镜(L2)30、DMD40、计算机(PC)50、针孔(PH)60、图像传感器70。通过图像采集卡将图像数据存入计算机中，从而形成图像采集子系统。

实施时，保证各光学元件水平等高，光路准直；首先，通过计算机PC分别向DMD加载p＝0,1,2,3,4和l＝0,1,2,3,4的经过Matlab抖动处理后的二元模式(如图4(d)所示)，用CCD相机直接观察测得的横截面光强如图5所示。

对比图2的理论光强图和图5用实际光路产生的拉盖尔高斯涡旋光束的光强图，可以看出，其测量的光强与理论计算得到的光强吻合得很好，显示出基于DMD产生的LG光束得到了很好的实验结果。

不同于光强的测量，在相位测量过程中，本发明把涡旋相位和振幅一起编码，然后再与产生的光栅相乘。合成的复振幅可表示为：

其中u为理论计算得到的复振幅，m＝0,1,2,3。取测量得到的合成的复振幅的相位，即可得到光束的相位。图6呈现了p＝0,1,2,3,4和l＝0,1,2,3,4组合下测得的拉盖尔高斯光束的相位。从图中，可以看出LG光束的相位模式分布。对比图3和图6可以发现，测量到的相位与理论模拟的相位分布可以很好的吻合。

通过将不同阶数p和l的拉盖尔高斯涡旋光束的测量情况与理论模拟的对应阶数的拉盖尔高斯涡旋光束的情况对比，证明第一实施例所述的装置能够产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束。

实施例三

如图7所示，本发明第三实施例提供一种拉盖尔高斯涡旋光束的三维重建装置，包括：

激光器10，用于发出高斯光束；激光器为633nm的He-Ne激光器；

第一凸透镜(L1)20，用于扩束高斯光束；

第二凸透镜(L2)30，用于准直扩束后的高斯光束；

计算机(PC)50，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对入射光束进行振幅或/和位相调制；

数字微镜器件(DMD)40，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束；拉盖尔高斯光束表示为：

其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w₀为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/z_R)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P₀为初始输入功率；

反射镜(M)80，用于对从数字微镜器件上发射出来的拉盖尔高斯涡旋光束进行反射；

针孔(PH)60，用于对从反射镜反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声；

图像传感器(CCD)70，用于对拉盖尔高斯涡旋光束进行成像；所述图像传感器为单色CCD传感器；

测量平台，用于使图像传感器(CCD)70沿着光束传播方向前后移动，以接收不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束；

计算机(PC)50，用于对不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束用Matlab进行处理，运用光强等值面对其进行渲染并透明化处理，使它们的光强三维可视化，对拉盖尔高斯光束进行三维重建。

在传播过程中光束发散的程度与传播距离密切相关，通过多次测量不同传播距离的光强，可以得到同种类型产生的拉盖尔高斯涡旋光束的不同状态。由此说明可以通过测量不同传播距离的光强，实现拉盖尔高斯涡旋光束的三维重建。

实施例四

本发明第四实施例提供一种图7所述三维重建拉盖尔高斯涡旋光束的装置的实施流程，即一种拉盖尔高斯涡旋光束的三维重建方法，用于拉盖尔高斯涡旋光束的产生及三维重建，所述内容包括以下步骤：

步骤S1、使用激光器发出高斯光束；

步骤S2、使用第一凸透镜对高斯光束进行扩束；

步骤S3、使用第二凸透镜对扩束后的高斯光束进行准直；

步骤S4，准直的部分相干高斯光束到达数字微镜器件后，通过计算机产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，在数字微镜器件上对准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和位相调制，产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束以反射方式出射；

所述DMD上加载的拉盖尔高斯光束的振幅和相位符合公式：

所述计算机产生叉形的衍射光栅的方法为：把带有l个拓扑电荷的涡旋相位项exp(ilφ)和单位平面波exp(-ikx)进行干涉，在光束的束腰处(z＝0)横向干涉结果表达为：

I＝|exp(-ikx)+exp(ilφ)|²。

步骤S5，使用反射镜对从数字微镜器件上发射出来的拉盖尔高斯涡旋光束进行反射；

步骤S6，使用针孔对从反射镜反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声；

步骤S7，前后移动测量平台，使单色图像传感器沿着光束传播方向前后移动，以接收不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束；

步骤S8，使用计算机对不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束用Matlab进行处理，运用光强等值面对其进行渲染并透明化处理，使它们的光强三维可视化，对拉盖尔高斯光束进行三维重建。

在本实施例中，测量装置包括：He-Ne激光器10(发射波长为633nm的光)、扩束镜(L1)20、准直透镜(L2)30、(DMD)40、计算机(PC)50、反射镜(M)80、针孔(PH)60、图像传感器(CCD)70。通过图像采集卡将图像数据存入计算机中，从而形成图像采集子系统。

实施时，通过测量平台将图像传感器(CCD)调节至不同位置，每隔5cm测量一次光强数据。本实施例对于每个模式的拉盖尔高斯光束，沿着传播方向测量了13个横截面的数据。

由图8的光强图可以证明，本实施例产生的是不同状态(LG00，LG11，LG22，LG33)的拉盖尔高斯光束。

由此能够让同一束拉盖尔高斯光束产生不同的状态，从而证明本实施例的装置能够产生不同状态的拉盖尔高斯光束。

本实施例测量了p＝0,1,2,3,4和l＝0,1,2,3,4组合系列下的拉盖尔高斯光束的数据，这里仅采取LG00，LG11，LG22，LG33模进行讨论，其测量结果如图8所示。从这些横截面的光强中，可以看出在束腰之后的光会沿着传播方向逐渐发散。对于LG00模，由于没有轨道角动量，其光束的模式和高斯光束是相同的。当拓扑电荷l不为零时，LG光束是由环状的模组成的。同时在会在光束的中间形成一条暗通道。其暗通道的大小与拓扑电荷l的大小有关，当l越大形成的LG光束的环状半径也越大。

本实施例对上述测量的数据中的LG00，LG11，LG22，LG33模用Matlab进行处理，运用光强等值面对其进行渲染并透明化处理，可使它们的光强三维可视化，由此可对拉盖尔高斯光束进行三维重建。

从图9可以看出，本实施例可以得到三维等值面的光强图，沿着光的传播方向，可以方便的看到其演化的过程，由此得到的三维光束会更形象，更易于理解光束的性质。

本发明的数字微镜器件(DMD)和空间光调制器相比，具有很高的损伤阈值，同时有非常快的响应速度。且装置结构简单易懂，稳定性好，制造成本低，为拉盖尔高斯涡旋光束的产生及三维重建提供了一种切实可行的办法，在机械加工，生物医学治疗，军事领域，信息传输，微操控等方面应用广泛。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，其特征在于，包括：

激光器，用于发出高斯光束；

第一凸透镜，用于扩束高斯光束；

第二凸透镜，用于准直扩束后的高斯光束；

计算机，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对数字微镜器件的入射光束进行振幅或/和位相调制；

数字微镜器件，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束，拉盖尔高斯光束表示为：

其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w₀为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/z_R)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P₀为初始输入功率。

2.根据权利要求1所述的拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，其特征在于，还包括：

针孔，用于将从数字微镜器件反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声。

3.根据权利要求1所述的拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，其特征在于，所述激光器为633nm的He-Ne激光器，计算机与数字微镜器件通过USB线连接。

4.根据权利要求1所述的拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，其特征在于，所述计算机产生叉形的衍射光栅的方法为：把带有l个拓扑电荷的涡旋相位项exp(ilφ)和单位平面波exp(-ikx)进行干涉，在光束的束腰处横向干涉结果表达为：

I＝|exp(-ikx)+exp(ilφ)|²。

5.一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、使用激光器发出高斯光束；

步骤S2、使用第一凸透镜对高斯光束进行扩束；

步骤S3、使用第二凸透镜对扩束后的高斯光束进行准直；

步骤S4，准直的部分相干高斯光束到达数字微镜器件后，通过计算机产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，在数字微镜器件上对准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和位相调制，产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束以反射方式出射，拉盖尔高斯光束表示为：

其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w₀为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/z_R)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P₀为初始输入功率。

6.根据权利要求5所述的拉盖尔高斯涡旋光束的产生方法，其特征在于，还包括步骤S5，使用针孔对从数字微镜器件反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声。

7.根据权利要求5所述的拉盖尔高斯涡旋光束的产生方法，其特征在于，所述计算机产生叉形的衍射光栅的方法为：把带有l个拓扑电荷的涡旋相位项exp(ilφ)和单位平面波exp(-ikx)进行干涉，在光束的束腰处横向干涉结果表达为：

I＝|exp(-ikx)+exp(ilφ)|²。

8.一种拉盖尔高斯涡旋光束的三维重建装置，其特征在于，包括：

激光器，用于发出高斯光束；

第一凸透镜，用于扩束高斯光束；

第二凸透镜，用于准直扩束后的高斯光束；

数字微镜器件，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束，拉盖尔高斯光束表示为：

其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w₀为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/z_R)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P₀为初始输入功率；

反射镜，用于对从数字微镜器件上发射出来的拉盖尔高斯涡旋光束进行反射；

针孔，用于对从反射镜反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声；

图像传感器，用于对拉盖尔高斯涡旋光束进行成像；

测量平台，用于使图像传感器沿着光束传播方向前后移动，以接收不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束；

计算机，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对入射光束进行振幅或/和位相调制；

还用于对不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束用Matlab进行处理，运用光强等值面对其进行渲染并透明化处理，使它们的光强三维可视化，对拉盖尔高斯光束进行三维重建。

9.根据权利要求8所述的拉盖尔高斯涡旋光束的三维重建装置，其特征在于，所述图像传感器为单色CCD传感器。

10.一种拉盖尔高斯涡旋光束的三维重建方法，其特征在于，包括：

步骤S1、使用激光器发出高斯光束；

步骤S2、使用第一凸透镜对高斯光束进行扩束；

步骤S3、使用第二凸透镜对扩束后的高斯光束进行准直；

步骤S4，准直的部分相干高斯光束到达数字微镜器件后，通过计算机产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，在数字微镜器件上对准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和位相调制，产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束以反射方式出射，拉盖尔高斯光束表示为：

其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w₀为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/z_R)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P₀为初始输入功率；

步骤S5，使用反射镜对从数字微镜器件上发射出来的拉盖尔高斯涡旋光束进行反射；

步骤S6，使用针孔对从反射镜反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声；

步骤S7，前后移动测量平台，使单色图像传感器沿着光束传播方向前后移动，以接收不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束；

步骤S8，使用计算机对不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束用Matlab进行处理，运用光强等值面对其进行渲染并透明化处理，使它们的光强三维可视化，对拉盖尔高斯光束进行三维重建。