CN108345120A - 一种基于矩阵螺旋相位板级联的涡旋光制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于矩阵螺旋相位板级联的涡旋光制备方法。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，矩阵螺旋相位板是一种用于制备涡旋光的透明光学衍射元件。首先，一束具有高斯分布的光束通过矩阵螺旋相位板，出射光可获得螺旋相位，即制得具有对应拓扑荷数的涡旋光；其次，将制得的涡旋光重复引入矩阵螺旋相位板N次(N＞2)，通过级联M个(M＞2)矩阵螺旋相位板使涡旋光拓扑荷数进行累加。本方法光路简洁，灵活性强，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数的涡旋光制备。

Description

一种基于矩阵螺旋相位板级联的涡旋光制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于矩阵螺旋相位板级联的涡旋光制备方法。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，矩阵螺旋相位板是一种用于制备涡旋光的透明光学衍射元件。通过矩阵螺旋相位板级联的方式可制得大拓扑荷数涡旋光。本方法光路简洁，灵活性性强，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数的涡旋光制备。

技术背景

涡旋光是一种具有螺旋波阵面和特殊光强分布的光场。近年来因其在光学操控、光通信、光学微测量等领域中具有广泛应用价值而饱受关注。光场中的涡旋现象最初由Boivin、Dow和Wolf于1967年在透镜组的焦平面附近发现。1973年，Bryngdahl首次开展了对制备涡旋光实验方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用连续激光成功制备了涡旋光。1990年Yu、BazgenovV首次使用光栅法完成了涡旋光的制备。

涡旋光的相位中含有角相位因子exp(ilθ)，其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，θ为方位角，该角相位因子说明涡旋光在传播过程中，若绕光轴传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2πl；同时螺旋形相位的中心是一个相位奇点，该处的相位不确定，并且光场振幅为零，因此在光场中心处形成了中空暗核。

涡旋光制备方法的研究是开展涡旋光实验研究的基础。常用的涡旋光制备方法有模式转换法、计算全息法、空间光调制器法、Q板法和矩阵螺旋相位板法。

计算全息法由Bazhenov教授于1989年提出，2010年齐晓庆等人利用相位型衍射光栅产生能量按比例分布的多个螺旋光束。1999年，德国科学家Reicherter M设想通过空间光相位调制器制备涡旋光，2009年Sciarrino、Fabio实现了这一方法的应用，2013年Ostrovsky等使用特别的相位掩模板，利用空间光相位调制器得到了“完美”涡旋光。2012年，通过螺旋相位镜，澳大利亚科学家Fickler R实现了拓扑荷数为5000的涡旋光制备。

模式转换法成本低廉，对光功率没有严苛限制，但是该方法对于光路搭建的精度有极高的要求；计算全息法理论上可以制备出大拓扑荷数涡旋光，但是该方法转化效率低，不能产生单一模式的涡旋光；空间光调制器体积小，制备出的涡旋光质量高，但是该器件造价昂贵，对入射角度、入射光功率均有限制；Q板结构简单，响应速度快，方便快捷，但是目前仅能制备拓扑荷数较小的涡旋光。

矩阵螺旋相位板法可以弥补以上制备方法的不足，该方法能量转换效率高，能够制备出大拓扑荷数涡旋光。该方法结构简单，应用广泛，2017年，李凯等人结合矩阵螺旋相位板与萨格纳克干涉仪生成了矢量光束。但矩阵螺旋相位板一旦制成，只能产生特定拓扑荷数的涡旋光，给研究带来不便。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有矩阵螺旋相位板仅能制备特定拓扑荷数涡旋光的不足，提出了一种基于矩阵螺旋相位板级联的涡旋光制备方法，该方法光路简洁，灵活性强，可根据实验室情况任意组合矩阵螺旋相位板进行特定拓扑荷数的涡旋光制备，对单一矩阵螺旋相位板、多矩阵螺旋相位板均适用。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于矩阵螺旋相位板级联的涡旋光制备方法，首先，一束具有高斯分布的光束通过矩阵螺旋相位板，出射光可获得螺旋相位因子exp(il₁θ)，其中l₁为拓扑荷数，θ为方位角，即制得具有对应拓扑荷数l₁的涡旋光；其次，将制得的涡旋光再次引入n-1个矩阵螺旋相位板，使涡旋光获得螺旋相位因子exp(il₂θ)，exp(il₃θ)，…，exp(il_nθ)，其中l₂，l₃，…，l_n为拓扑荷数，通过级联的方式制得了拓扑荷数为(l₁+l₂+…+l_n)的涡旋光。矩阵螺旋相位板可通过多次级联以进行大拓扑荷数涡旋光的制备，级联的矩阵螺旋相位板个数M＞2，可通过多次穿过同一矩阵螺旋相位板进行级联以制备大拓扑荷数涡旋光，同一矩阵螺旋相位板的透射次数N＞2，为了避免光路重叠，对于同一矩阵螺旋相位板的重复使用要从对应不同的拓扑荷数区域射入。可以通过正向、反向通过矩阵螺旋相位板实现拓扑荷数的加减控制。反向通过矩阵螺旋相位板时可获得拓扑荷数为复数的涡旋光，灵活进行正向、反向通过矩阵螺旋相位板的级联组合可以得到所需拓扑荷数的涡旋光，涡旋光级联流程图如图1所示。

本发明的原理是：

假设有一束高斯光入射矩阵螺旋相位板，其入射前的表达式为：

高斯光光强分布如图2所示。

其中，E₀为振幅，ω₀为光腰半径，ω(z)为光强下降到时的光束半径，r为距光轴中心的距离。假设级联n个矩阵螺旋相位板进行涡旋光制备，对应的拓扑荷数为l₁,l₂,l₃...l_n。当高斯光第1次从矩阵螺旋相位板出射时其表达式为：

当涡旋光第二次从矩阵螺旋相位板出射时拓扑荷数会发生累加，其表达式为：

此时出射的涡旋光其拓扑荷数为(l₁+l₂)。

若第二次反向通过矩阵螺旋相位板则表达式为：

此时出射的涡旋光其拓扑荷数为(l₁-l₂)。

当涡旋光第n次从矩阵螺旋相位板出射时其表达式为：

即可制得拓扑荷数为(l₁+l₂+l₃+...+l_n)的涡旋光。随着拓扑荷数的不断增大，涡旋光在传输过程中的发散会更加剧烈，所以要根据实际传输距离的需要选择合理的拓扑荷数进行制备，拓扑荷数为1和10的涡旋光光强分布如图3所示，通过级联产生的拓扑荷数为2，4，6，8的涡旋光光强分布如图4所示。

对于同一块矩阵螺旋相位板的级联不可重复从同一拓扑荷数对应区域入射，若从同一处入射，第一次制备的涡旋光会与第二次制备的涡旋光叠加发生干涉，严重影响实验质量。若将本方法用作叠加态涡旋光的产生则恰恰相反，可利用级联使两次制备的涡旋光束从同一路径入射矩阵螺旋相位板，产生叠加态涡旋光干涉花瓣图样。

本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：

(1)光路简洁，对于光路的搭建没有过高的精度要求；成本低廉，使用本方法可以重复利用同一块矩阵螺旋相位板进行拓扑荷数累加。

(2)灵活性强，可以根据本实验室情况，依据所需涡旋光拓扑荷数灵活组合现有的矩阵螺旋相位板。

(3)有效弥补了矩阵螺旋相位板一旦制成，只能产生特定拓扑荷数的涡旋光的不足，为矩阵螺旋相位板的灵活使用提供了一种可靠方法。除了使用同一块矩阵螺旋相位板级联、多块矩阵螺旋相位板级联之外，还可以利用反向通过矩阵螺旋相位板灵活操控拓扑荷数加减，通过有限的光学元件制备任意拓扑荷数涡旋光。

图1为涡旋光级联流程图；

图2为高斯光强分布仿真图；

图3为拓扑荷数为1和10时的涡旋光强分布仿真图；

图4为级联产生的拓扑荷数为2，4，6，8的涡旋光强分布图；

图5为方案一涡旋光制备示意图；

图6为方案一涡旋光制备示意图；

图7为方案二涡旋光制备示意图；

图8为方案三涡旋光制备示意图；

具体实施方案

本发明的实施对象为矩阵螺旋相位板，以RPC PHOTONICS公司生产的VPP-m633为例，具体实施步骤如下：

(1)方案一

通过激光发生器谐振腔(1)产生稳定的高斯光，入射矩阵螺旋相位板(3)，出射后该光束拓扑荷数为l₁。经过反射镜(4)、反射镜(5)、反射镜(6)和反射镜(2)使光束再次入射矩阵螺旋相位板获得拓扑荷数l₂的累加，出射涡旋光拓扑荷数为(l₁+l₂)，如图5所示。

在一次级联的基础上，可进行二次级联。通过激光发生器谐振腔(1)产生稳定的高斯光，入射矩阵螺旋相位板(3)，出射后该光束拓扑荷数为l₁。经过反射镜(5)、反射镜(6)、反射镜(9)和反射镜(2)使光束再次入射矩阵螺旋相位板(3)获得拓扑荷数l₂的累加，出射后该光束经反射镜(4)、反射镜(7)、反射镜(8)和反射镜(10)再次透射矩阵螺旋相位板(3)获得拓扑荷数l₃，最终出射涡旋光拓扑荷数累加至(l₁+l₂+l₃)，如图6所示。

该方案可继续通过反射镜多次将光束重复引入矩阵螺旋相位板，使拓扑荷数不断增加直到满足实验需要。

(1)方案二

通过激光发生器谐振腔(1)产生稳定的高斯光，入射矩阵螺旋相位板(2)。光束出射后分别入射级联的多个矩阵螺旋相位板(3)、(4)…(5)，可制得对应拓扑荷数为(l₁+l₂+l₃+...+l_n)的涡旋光，如图7所示。

(1)方案三

通过激光发生器谐振腔(1)产生稳定的高斯光，分别依次透射矩阵螺旋相位板(2)、矩阵螺旋相位板(3)、矩阵螺旋相位板(4)…矩阵螺旋相位板(5)。奇数次级联正向入射矩阵螺旋相位板，偶数次级联反向入射矩阵螺旋相位板，若共级联2n个矩阵螺旋相位板，则出射光在奇数次级联的矩阵螺旋相位板出可获得相位因子exp(il₁θ)，exp(il₃θ)，…，exp(il_2n-1θ)，出射光在偶数次级联的矩阵螺旋相位板出可获得相位因子exp(-il₂θ)，exp(-il₄θ)，…，exp(-il_2nθ)，最终可制得对应拓扑荷数为(l₁-l₂+l₃-...+l_n)的涡旋光，如图8所示。

此外，对于同一块矩阵螺旋相位板级联k次和通过级联k个矩阵螺旋相位板制备涡旋光理论上效果相同。但是同一块矩阵螺旋相位板级联k次的光路搭建明显较级联k个矩阵螺旋相位板要复杂，一方面，每一次级联都需要额外添加3个反射镜；另一方面，每一次级联时都需要精密调节反射镜位置和倾角以保证光束垂直入射于矩阵螺旋相位板。所以，具体光路设计还要根据本实验室实际情况进行。

本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基于矩阵螺旋相位板级联的涡旋光制备方法，首先，一束具有高斯分布的光束通过矩阵螺旋相位板，出射光可获得螺旋相位因子exp(il₁θ)，其中l₁为拓扑荷数，θ为方位角，即制得具有对应拓扑荷数l₁的涡旋光；其次，将制得的涡旋光再次引入n-1个矩阵螺旋相位板，使涡旋光获得螺旋相位因子exp(il₂θ)，exp(il₃θ)，…，exp(il_nθ)，其中l₂，l₃，…，l_n为拓扑荷数，通过级联的方式制得了拓扑荷数为(l₁+l₂+…+l_n)的涡旋光。

2.根据权利要求1所述的基于矩阵螺旋相位板级联的涡旋光制备方法，其特征在于：矩阵螺旋相位板可通过多次级联以进行大拓扑荷数涡旋光的制备，级联的矩阵螺旋相位板个数M＞2，可通过多次穿过同一矩阵螺旋相位板进行级联以制备大拓扑荷数涡旋光，同一矩阵螺旋相位板的透射次数N＞2，为了避免光路重叠，对于同一矩阵螺旋相位板的重复使用要从对应不同的拓扑荷数区域射入。

3.根据权利要求1所述的基于矩阵螺旋相位板级联的涡旋光制备方法，其特征在于：可以通过正向、反向通过矩阵螺旋相位板实现拓扑荷数的加减控制。反向通过矩阵螺旋相位板时可获得拓扑荷数为负数的涡旋光，灵活控制正向、反向通过矩阵螺旋相位板的级联组合可以得到所需拓扑荷数的涡旋光。