CN108803048A - 一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生方法及装置，该方法包括：氦氖激光器产生一束激光，经过扩束器对其进行扩束，通过空间光调制器调制光束的关联特性，得到具有阵列关联特性的光束；光束通过旋转的毛玻璃降低其相干性，得到具有阵列关联特性的部分相干光束；将具有阵列关联特性的部分相干光束通过高斯振幅滤波器得到阵列关联的高斯光束；将高斯光束通过涡旋相位片，得到阵列关联的涡旋高斯光束；通过聚焦在远场得到阵列涡旋光束。本发明将进一步推动具有特殊相干性光束在传输、成像以及与物质相互作用等方面的研究，扩充光束种类。

Description

一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生方法及装置

技术领域

本发明涉及一种产生阵列涡旋光束的方法，特别是一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生方法及装置。

背景技术

相位是光束的一种重要特性，涡旋光束与普通光束相比，具有特殊的相位结构存在相位奇点，涡旋中心的光强是零，这种特殊的相位特性使得涡旋光束能比普通光束有更多的特性，近些年来涡旋光束因为其独特的性质引起了学术界越来越多的重视，有很多实际研究价值和应用前景，一些试验和研究表明涡旋光束在光学微操纵、光通信、冷原子、微粒波导、生物医学、粒子加速等领域具有广阔的应用前景。

涡旋光束作为一种特殊的新型光束，其特点是具有螺旋形波前结构、光强呈环状分布、暗斑尺寸极小、传播不变性、无加热效应、无损耗效应以及其不仅有线动量还携带有轨道角动量等。这些优点使其在光学微操纵、光通信、冷原子、微粒波导、生物医学、粒子加速等领域中得到广泛的应用。所以，近年来人们对涡旋光束的各种特性研究成为热点。可以利用涡旋光束带有的拓扑荷因数作为光学计算、空间光通信、物理数学以及处理信息的新方法与手段。还可以利用涡旋光束携带的轨道角动量传递信息，与传统技术利用光束的偏振态进行编码的方式不同，能够很大程度的增加传输信息的容量。

Gibson等人经过大量研究表明利用涡旋光束的轨道角动量实现编码具有的保密性更强。因此，涡旋光束在量子信息的处理，粒子的囚禁和操纵等领域也有其潜在的应用价值。1986年，Ashkin在激光梯度力引起光辐射压的影响方面所做的工作,首次从理论和实验两方面证实了可以利用激光束来捕获微米量级的粒子。后来人们想要提高光镊的能力，增加势阱力需要增加功率，随着功率的增加会对粒子的活性造成损伤，研究发现在相同激光功率条件下，涡旋光束产生的势阱力要比光镊大许多，且能有效束缚低折射率粒子。所以涡旋光束具有很多特殊的性质，在很多科技领域都有不可忽略的作用，对于其研究将会越来越深入。

在过去的几十年间部分相干光理论得到了充分的研究，但只有少数几种关联函数被提出，用来描述光束的相干性，如谢尔模关联、贝塞尔关联、拉盖尔关联等。近几年研究表明，在满足光束构造的真实性条件下，可以通过设计调控光束的关联特性来有效调控光参数特性，得到一些新颖的现象。2011年，Lajuen等人提出了非均匀关联的光束，它的相干度分布跟空间位置有关，研究表明它会发生自聚焦现象；2012年，Sahin等人提出了能在远场产生平顶光强的部分相干光束；近年已经通过理论和实验研究证明了可以通过操纵关联结构，在远场处产生任意的光束阵列，研究表明操纵涡旋光束关联结构可以在远场处形成不同阶数的矩形和径向阵列。可以通过操纵阵列关联函数进行多粒子操控，研究具有阵列关联的激光对光学微操纵和生物医学具有重要意义。

然而，现有技术中未发现产生阵列涡旋光束的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生方法及装置。

实现本发明目的的技术方案为：一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生方法，光束产生装置包括氦氖激光器、扩束器、空间光调制器、圆型孔径、旋转的毛玻璃片、高斯振幅滤波片和涡旋相位片，该方法包括以下步骤：

步骤1、氦氖激光器产生一束激光，经过扩束器对其进行扩束，通过空间光调制器调制光束的关联特性，得到具有阵列关联特性的光束；

步骤2、将步骤1得到的光束通过旋转的毛玻璃降低其相干性，得到具有阵列关联特性的部分相干光束；

步骤3、将具有阵列关联特性的部分相干光束通过高斯振幅滤波器得到阵列关联的高斯光束；

步骤4、将步骤3得到的高斯光束通过涡旋相位片，得到阵列关联的涡旋高斯光束；

步骤5、通过聚焦在远场得到阵列涡旋光束。

本发明还提供一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生装置，包括氦氖激光器、扩束器、空间光调制器、圆型孔径、旋转的毛玻璃片、高斯振幅滤波片和涡旋相位片；

所述氦氖激光器产生的激光通过扩束器扩束，空间光调制器调制光束的关联特性，使其具有阵列关联特性；激光通过通过圆型孔径和旋转的毛玻璃片，得到一束具有阵列关联的部分相干光束，然后部分相干光束通过高斯振幅滤波片得到一束具有阵列关联的部分相干高斯光束，接着通过涡旋相位片，得到具有阵列关联的涡旋光束。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提出了一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生方法及装置，给出了这种光束的数学-物理模型，确定了光束光参数的选取条件，并可以实验产生和测量这类光束，通过对空间光调制器的操控可以改变这种光束的阵列阶数n、m，不同阶数相干性分布的光束在传输过程中的聚焦特性不同，形成不同的阵列涡旋光束，理论与实验结果一致。

附图说明

图1为本发明一种产生和测量阵列涡旋光束的装置示意图。

图2(a)和图2(b)为理论模拟矩形阵列涡旋光束不同阶数下焦平面的归一化强度分布图。

图3(a)和图3(b)为理论模拟径向阵列涡旋光束不同阶数下焦平面的归一化强度分布图。

图4(a)和图4(b)为理论模拟矩形阵列涡旋光束不同阶数下源场处的相干度分布图。

图5(a)和图5(b)为理论模拟径向阵列涡旋光束不同阶数下源场处的相干度分布图。

具体实施方式

一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生方法，光束产生装置包括氦氖激光器1、扩束器2、空间光调制器3、圆型孔径4、旋转的毛玻璃片5、高斯振幅滤波片6和涡旋相位片7，该方法包括以下步骤：

步骤1、氦氖激光器产生一束激光，经过扩束器对其进行扩束，通过空间光调制器调制光束的关联特性，得到具有阵列关联特性的光束；

步骤2、将步骤1得到的光束通过旋转的毛玻璃降低其相干性，得到具有阵列关联特性的部分相干光束；

步骤3、将具有阵列关联特性的部分相干光束通过高斯振幅滤波器得到阵列关联的高斯光束；

步骤4、将步骤3得到的高斯光束通过涡旋相位片，得到阵列关联的涡旋高斯光束；

步骤5、通过聚焦在远场得到阵列涡旋光束。

进一步的，通过步骤4得到的阵列关联的涡旋光束的交叉谱密度表示为：

其源场矩形关联特性表示为

其源场径向关联特性表示为

其中l为拓扑荷数，φ′₁、φ′₂为光源平面位置r′₁,r′的相角，是角度变化量，M′、N′为径向阵列选取的阶数，n_x、n_y分别为高斯阵列的位置，M、N为径向阵列选取的阶数，n、m为径向的长度和角度，r₁′＝(x′₁,y′₁)和r′₂＝(x′₂,y′₂)为源场位置矢量，w₀为源场束腰宽度，δ₀为源场相干长度，w_v为常数，表示涡旋核的大小，a为常数与矩形阵列之间的间距成反比，r₀为常数是径向阵列的半径。

一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生装置，包括氦氖激光器1、扩束器2、空间光调制器3、圆型孔径4、旋转的毛玻璃片5、高斯振幅滤波片6和涡旋相位片7；

所述氦氖激光器1产生的激光通过扩束器2扩束，空间光调制器3调制光束的关联特性，使其具有阵列关联特性；激光通过通过圆型孔径4和旋转的毛玻璃片5，得到一束具有阵列关联的部分相干光束，然后部分相干光束通过高斯振幅滤波片6得到一束具有阵列关联的部分相干高斯光束，接着通过涡旋相位片7，得到具有阵列关联的涡旋光束。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

实施例

本实施例中将基于部分相干部分偏振统一理论，随机光束的阶交叉谱密度矩阵

W(r₁,r₂)的矩阵表示为：

W(r₁,r₂)＝<E^*(r₁)E(r₂)> (1)

<>表示系中的平均，*表示复共轭；

阵列涡旋光束的交叉光谱密度矩阵元的一般式表示为：

源场矩形阵列关联函数表示为

源场径向阵列关联特性表示为

其中l为拓扑荷数，φ′₁、φ′₂为光源平面位置r′₁,r′的相角，是角度变化量，M′、N′为径向阵列选取的阶数，n_x、n_y分别为高斯阵列的位置，M、N为径向阵列选取的阶数，n、m为径向的长度和角度，r′₁＝(x′₁,y′₁)和r′₂＝(x′₂,y′₂)为源场位置矢量，w₀为源场束腰宽度，δ₀为源场相干长度，w_v为常数，表示涡旋核的大小，a为常数与矩形阵列之间的间距成反比，r₀为常数是径向阵列的半径。

为确定模型建立可实现的光学参数，上述光束模型需要满足以下两个条件：

1)具有阵列关联函数的实现条件；

2)满足阵列涡旋光束的远场光束条件。

本实施例中为满足条件1，具有阵列关联函数的电磁光束的实现条件，可以公式(2)改为：

W(r₁,r₂)＝∫∫p(v)K^*(r′₁,v)K(r′₂,v) (5)

其中v＝(v_x,v_y)；K(r′₂,v)是非负核函数；*表示复共轭；p(v)是非负的权重函数，其需要满足：

p(v)≥0 (6)

为了满足公式(6)使得公式(3)、(4)有意义，我们得到：

矩形阵列条件：

径向阵列条件：

其中λ表示波长；

为了满足远场光束条件，远场光强分布可以忽略关于z方向的窄角内范围外，光束的初始参数需要满足条件：

下面结合附图，实验产生上述满足光参数条件的参数，并与理论比较。参见图1，左半部分为阵列关联涡旋光的产生装置，氦氖激器1产生一束激光，先通过扩束器2对其进行扩束，接着通过空间光调制器3对光束的空间相干性其进行调制，通过计算机将平面波与阵列高斯波干涉得到的光栅全息图样加载到空间光调制器3，空间光调制器3起到相位光栅的作用，之后通过圆形孔径4选取出一阶衍射图样，得到阵列关联光束。之后通过旋转的毛玻璃片5降低激光束的空间相干性，我们设定光束经过毛玻璃上的光斑直径远大于毛玻璃片的粗糙尺度，得到非相干的阵列高斯关联光束。之后光束传输f₁距离到达薄透镜L₂和高斯振幅滤波片6后得到阵列关联高斯光束，最后经过涡旋相位片，最终得到具有阵列关联涡旋光束。

液晶空间光调制器是一种可编程的光电型衍射光学元件，液晶空间光调制器对激光束进行调制，实质上是利用液晶分子的旋光偏振性和双折射性。在外电场的作用下液晶分子指向会发生改变，改变量大小与外加电压有关。分子方向变化直接影响液晶材料的折射率，实现对光波的调制。利用计算机实时控制不同像素外加电压大小，用它可以动态地实现所要求的输出光强分布。

图1右半部分为测量阵列涡旋光束的实验示意图，源场产生的光束经过进行薄透镜L₃聚焦，在焦点处用光束分析仪8得到阵列涡旋光束的强度分布。对于源场相干度的测量我们将透镜和光束分析仪去掉在原L₃的位置换上分束器，并使两条光路的光程相等，一路使用电荷耦合元件CCD，一路使用光束分析仪将两个信号进行符合计算，得到两路的关联值，通过计算机将关联值拟合得出源场的相干度。

图2(a)和图2(b)为理论模拟矩形阵列涡旋光束不同阶数下焦平面的归一化强度分布图，结果显示其源场的强度分布与光束的相干性无关，符合部分相干光的基本理论，参数选取为λ＝632.8nm,a＝0.5mm,δ₀＝1mm,w₀＝1mm。选取不同的阶数可以得到不同的矩形阵列。我们可以清楚的看到在远场处光强成矩形阵列分布。

图3(a)和图3(b)为理论模拟径向阵列涡旋光束不同阶数下焦平面的归一化强度分布图，参数同上选取不同的阶数一样可以得到不同的径向阵列。同样可以清楚的发现光强成径向阵列分布。

根据部分相干偏振统一理论，采用Tervo等人的光束相干度定义

图4(a)和图4(b)为理论模拟矩形阵列涡旋光束不同阶数下源场处的相干度分布图，参数同上，阶数选取同上。可以发现源场处的相干度也是成矩形阵列分布。

图5(a)和图5(b)为理论模拟径向阵列涡旋光束不同阶数下源场处的相干度分布图，参数同上，阶数选取同上。可以发现源场处的相干度也是成径向阵列分布。

Claims (3)

1.一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生方法，其特征在于，光束产生装置包括氦氖激光器、扩束器、空间光调制器、圆型孔径、旋转的毛玻璃片、高斯振幅滤波片和涡旋相位片，该方法包括以下步骤：

步骤1、氦氖激光器产生一束激光，经过扩束器对其进行扩束，通过空间光调制器调制光束的关联特性，得到具有阵列关联特性的光束；

步骤2、将步骤1得到的光束通过旋转的毛玻璃降低其相干性，得到具有阵列关联特性的部分相干光束；

步骤3、将具有阵列关联特性的部分相干光束通过高斯振幅滤波片得到阵列关联的高斯光束；

步骤4、将步骤3得到的高斯光束通过涡旋相位片，得到阵列关联的涡旋高斯光束；

步骤5、通过聚焦在远场得到阵列涡旋光束。

2.根据权利要求1所述的可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生方法，其特征在于，通过步骤4得到的阵列关联的涡旋光束的交叉谱密度表示为：

其源场矩形关联特性表示为

其源场径向关联特性表示为

其中l为拓扑荷数，φ′₁、φ′₂为光源平面位置r′₁,r′的相角，是角度变化量，M′、N′为径向阵列选取的阶数，n_x、n_y分别为高斯阵列的位置，M、N为径向阵列选取的阶数，n、m为径向的长度和角度，r′₁＝(x′₁,y′₁)和r′₂＝(x′₂,y′₂)为源场位置矢量，w₀为源场束腰宽度，δ₀为源场相干长度，w_v为常数，表示涡旋核的大小，a为常数与矩形阵列之间的间距成反比，r₀为常数是径向阵列的半径。

3.一种可调谐自分裂阵列涡旋光束的产生装置，其特征在于，包括氦氖激光器(1)、扩束器(2)、空间光调制器(3)、圆型孔径(4)、旋转的毛玻璃片(5)、高斯振幅滤波片(6)和涡旋相位片(7)；

所述氦氖激光器(1)产生的激光通过扩束器(2)扩束，空间光调制器(3)调制光束的关联特性，使其具有阵列关联特性；激光通过通过圆型孔径(4)和旋转的毛玻璃片(5)，得到一束具有阵列关联的部分相干光束，然后部分相干光束通过高斯振幅滤波片(6)得到一束具有阵列关联的部分相干高斯光束，接着通过涡旋相位片(7)，得到具有阵列关联的涡旋光束。。