CN109709682B - 一种产生复合涡旋光束的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种产生复合涡旋光束的装置，属于光学设备技术领域。该装置包括：激光光源、可调衰减器、光束扩束器、光阑、第一偏振片、分光镜、空间光调制器、第二偏振片和图像采集器件；激光光源输出的光束首先经过可调衰减器，衰减后的光束入射到光束扩束器，之后经过光阑、第一偏振片、分光镜、空间光调制器，之后入射到分光镜得到反射光，反射光入射到第二偏振片，第二偏振片使得信号光透过，然后入射到图像采集器件，得到复合涡旋光强度分布。本发明在通过控制振幅型空间光调制器生成各种图像，能够方便、快捷和经济的产生各种所需的复合涡旋光束。不需要像传统方法一样加工不同的光学器件，也不需要进行复杂的光学调试和控制。
Description
技术领域
本发明涉及光学设备技术领域，具体涉及一种产生复合涡旋光束的装置。
背景技术
涡旋光束是一种具有连续螺旋相位波前的特殊光束，光强呈环形分布，光束中心处光强为零，中心处相位具有奇异性，称为相位奇点。涡旋光束的波阵面的形状与流体涡旋类似，在传播过程中保持螺旋上升。
轨道角动量本征模式的叠加为奇点光学中复合光束的产生提供了切入点。当两束带有涡旋的光束相叠加时，新的涡旋就会产生，即产生复合涡旋光束。这些涡旋的数量和位置由叠加的两束分量光束决定。当分量光束共轴时，将振幅相同，模式分别为
和
的涡旋光束叠加，可以获得模式为
的涡旋光束。一般情况下，分量光束为l1和l2，当l1＝-l2时，复合光束的外围没有涡旋光。反之，当l1＝l2时，可以得到l＝2l1的最大涡旋光。
由于涡旋光束具有螺旋形相位波前、中心光强呈环形分布，且中心光强为零，利用涡旋光实现对微纳粒子操纵具有无加热和无热损耗效应。涡旋光可以在激光功率相同的条件下，产生远大于传统高斯光束光镊的势阱，因此，可以实现对折射率小于周围介质的微粒的束缚。这使得涡旋光束在物质的非接触光学操纵、冷原子操纵、生物医学等领域具有广阔的应用前景。由于涡旋光含有多个轨道角动量态，此系统最直接的优势就是可以提供更大的“字符”，正交轨道角动量态可提供可观的数据存储增长潜力，因此，利用涡旋光束作为信息载体进行编码，可以大大提高编码能力和量子通信的信息容量。涡旋光的独特性使其广泛应用于信息传输、量子信息等众多领域都有巨大的应用价值。
由于涡旋光束新颖的特性和广阔的应用前景，人们纷纷投入到涡旋光束产生方法的研究。涡旋光束常用的产生方法有：基于涡旋光与其他参考光形成全息光栅产生涡旋光束的全息图法；基于计算机生成叉形衍射全息图的计算全息法；基于空间光调制器与计算机全息法结合产生涡旋光束；利用螺旋相位板实现相位调制产生涡旋光束；基于晶体折射实现光场调制产生涡旋光束等。
传统构造涡旋光束方法各有各自的优缺点，全息图法对感光光栅片的质量要求极高，因此，感光片的低衍射效率决定这种方法产生的涡旋光束的质量不佳。计算全息法在实际应用中只能产生低阶的涡旋光束，产生效率低，它不能产生单一模式的涡旋光束。空间光调制器法虽然很灵活，但是它不能用来产生功率高的涡旋光束。螺旋相位板法不够灵活，制作工艺复杂、且输出模式固定、产生地涡旋光拓扑荷数唯一，为了改变输出模式不可调节的缺点。
发明内容
本为了更好、更快捷、更经济的产生具有不同拓扑荷数的复合涡旋光束，本发明针对上述现有技术的不足之处，提供一种能够方便、快捷和经济的产生复合涡旋光束的装置，通过改变空间光调制器上的图像产生所需的复合涡旋光束。
本发明提供了一种产生复合涡旋光束的装置，包括：激光光源、可调衰减器、光束扩束器、光阑、第一偏振片、分光镜、空间光调制器、第二偏振片和图像采集器件；
激光光源输出的光束首先经过可调衰减器控制光功率，衰减后的光束入射到光束扩束器进行扩束，扩束后的光束经过光阑，从光阑中心透过的光束之后经过第一偏振片后得到偏振光，偏振光之后入射到分光镜后得到透射光，透射光入射到空间光调制器进行光强调制，空间光调制器调制后的光束再次入射到分光镜得到反射光，反射光入射到第二偏振片，第二偏振片使得信号光透过，然后入射到图像采集器件，得到复合涡旋光强度分布。
优选地，所述空间光调制器为振幅型的空间光调制器。
优选地，所述第一偏振片和第二偏振片均为可旋转的偏振片。
优选地，所述第一偏振片的表面法线与入射光光轴夹角为7°～15°。
更优选地，所述第一偏振片的表面法线与入射光光轴夹角为10°。
优选地，所述第一偏振片使得偏振光的偏振方向和所述空间光调制器要求的入射偏振方向相同，第二偏振片的偏振方向和信号光的偏振方向相同。
优选地，所述分光镜的分光比为30％～70％。
更优选地，所述分光镜的分光比为50％。
优选地，所述图像采集器件设置在位移平台上。
优选地，所述空间光调制器由电脑控制生成相应的分布。
优选地，所述光束扩束器包括第1级扩束器、扩束器内部光阑和第2级扩束器。所述光束扩束器可以采用以下文章中的光束扩束器：于萍.一种激光扩束镜换位机构设计[J].长春理工大学学报(自然科学版),2012,35(2):16-18.；巩盾,王红,田铁印,等.大功率激光扩束器的光学设计[J].激光技术,2009,33(4):426-428,436.DOI:10.3969/j.issn.1001-3806.2009.04.027.；郝沛明,潘宝珠,李红光,等.φ300哈特曼激光扩束器的研制[C].2006中国科协年会.同济大学中国工程物理研究院,2006:512-517.。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
本发明在通过控制振幅型空间光调制器生成各种图像，能够方便、快捷和经济的产生各种所需的复合涡旋光束。产生不同复合涡旋光束过程中不需要像传统方法一样加工不同的光学器件，也不需要进行复杂的光学调试和控制，能够广泛的应用到光学控制、光学通信和科学研究等工作中。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的光路示意图。
图3是空间光调制器产生的不同拓扑荷数的螺旋圆孔衍射屏。
图中：图(a)～(e)是空间光调制器产生的拓扑荷数为l＝1～5的螺旋圆孔衍射屏，图(h)～(k)是图像采集器件测量对应l＝1～5的涡旋光束的振幅分布，图(l)是图像采集器件沿光路连续测量的l＝5的涡旋光束振幅分布的剖面图。
图4是本装置产生的不同拓扑荷数的光强分布。
图中：图(a)～(d)是空间光调制器产生的拓扑荷数为l＝±1、±2、±4、±5的螺旋圆孔衍射屏，图(e)～(g)是图像采集器件测量对应l＝±2、±4、±5的涡旋光束的振幅分布。
附图标记说明：
1.激光光源，2.可调衰减器，3.光束扩束器，3-1.第1级扩束器，3-2.扩束器内部光阑，3-3.第2级扩束器，4.光阑，5.第一偏振片，6.分光镜，7.空间光调制器，8.第二偏振片，9.图像采集器件，10.位移平台。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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的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。
本发明一种复合涡旋光束的产生装置，如图1和图2所示，激光光源1选用波长633nm，束腰半径为4mm，功率为毫瓦级的氦氖激光器，输出的光束首先经过5档可调衰减器2(分别是3dB，5dB，10dB，20dB，30dB)控制光功率，衰减后的光束入射到两级扩束的光束扩束器3，其中第1级扩束器3-1是3倍扩束，扩束后经过通光孔径Ф5mm的扩束器内部光阑3-2，再通过放大倍率为5倍的第2级扩束器3-3后出射，此时光束发散角小于0.2mrad，波前畸变的峰峰值小于λ/4。扩束后的光束经过口径为Ф20mm的光阑4，然后经过可旋转的第一偏振片5，使得光束偏振方向与空间光调制器7要求的入射偏振方向相同，并且第一偏振片5表面法线与入射光光轴夹角控制为10°。经过第一偏振片5的偏振光入射到分光比为50％的分光镜6，此时反射光被吸收，透射光入射到振幅型的空间光调制器7进行光强调制，空间光调制器7由电脑控制生成相应的分布，入射光经其表面反射后再次入射到分光镜6，透射光通过偏振片5的反射后被吸收，反射光入射到可旋转第二偏振片8。控制第二偏振片8使得信号光透过，其余闲散光被吸收，透射光入射到放置于位移平台10上的图像采集器件9。通过控制位移平台10可以采集得到各个位置上的涡旋光强度分布。
使用振幅型的空间光调制器，通过载入不同的图像信息形成各种螺旋针孔衍射屏，利用该螺旋针孔衍射屏对光束进行调制，并产生相应的复合涡旋光束。
使用了两个可旋转的偏正片分别作为入射光偏振控制和出射光偏振选择，入射光偏振片控制与空间光调制器偏振要求方向相同，出射光偏振片与调制信号光的偏振方向相同。
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1：
按照前面的描述，参考图1和图2，控制空间光调制器7生成具有阿基米德螺旋线的灰度分布，如图3所示，其中白色表示设计值为255，代表光强全反射；黑色表示设计值为0，代表无光强反射。其极坐标表达式为r＝r0+αθ，其中r为螺旋线上任意点到中心的距离，r0为起始点距中心的距离，取参数值为1.5mm；θ为旋转角度，取参数值为0到2π；α为常数，取参数值为800μm；螺旋线的宽度取参数值为40μm，如图3(a)所示。可以改变螺旋狭缝条数，使l＝2...5，并使螺旋狭缝围绕衍射屏中心一周等角分布，保持旋转方向一致，如图3(b)～3(e)所示。此时l值不仅代表螺旋线的数量，也等于拓扑荷数。此时通过移动位移平台10到合适的位置，可以得到产生的涡旋光束的振幅分布，如图3(h)～3(k)所示。固定l的值为5，通过控制位移平台10运动，可以使得图像采集器件9连续采集不同位置上的振幅分布，合成涡旋光束传输过程中的振幅分布的横向剖面图，如图3(l)所示。
实施例2：
按照前面的描述，参考图1和图2，控制空间光调制器7生成具有费马螺旋线的灰度分布，如图4所示，其中白色表示设计值为255，代表光强全反射；黑色表示设计值为0，代表无光强反射。其极坐标表达式为
其中r为螺旋线上任意点到中心的距离，r0为起始点距中心的距离，取参数值为1.4mm；设计两条曲线分别代表l＝+1，-1，此时θ为旋转角度，两条曲线的参数值分别为顺时针旋转0到2π，和逆时针旋转0到2π；α为常数，取参数值为820μm；螺旋线的宽度取参数值为60μm，如图4(a)所示。可以改变螺旋狭缝条数，使l＝±2，±4，±5，并使螺旋狭缝围绕衍射屏中心一周等角分布，保持旋转方向一致，如图4(b)～4(d)所示，此时通过移动位移平台10到合适的位置，可以得到产生的复合涡旋光束的振幅分布，如图4(e)～4(g)所示。
产生复合涡旋光束的传统方式是位相调制，本专申请是使用的类似多孔干涉的新方法。
相比现有的装置在工作状态时需要使用空间滤波器进行滤波，以及需要使用频移器进行频移才能使用，本申请则均不需要进行这些控制，更为简单、方便、快捷和可靠。
相比于现有技术中需要使用两个空间光调制器分别对光束进行调制，然后再干涉，而本专申请只需要一个空间光调制器进行调制，不需要复杂的干涉光路，对振动、光轴对准性等无苛刻要求。
综上所述，本发明的有益效果是：
本发明在通过控制振幅型空间光调制器生成各种图像，能够方便、快捷和经济的产生各种所需的复合涡旋光束。产生不同复合涡旋光束过程中不需要像传统方法一样加工不同的光学器件，也不需要进行复杂的光学调试和控制，能够广泛的应用到光学控制、光学通信和科学研究等工作中。
本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实施。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种产生复合涡旋光束的装置，其特征在于，包括：激光光源(1)、可调衰减器(2)、光束扩束器(3)、光阑(4)、第一偏振片(5)、分光镜(6)、空间光调制器(7)、第二偏振片(8)和图像采集器件(9)；
激光光源(1)输出的光束首先经过可调衰减器(2)控制光功率，衰减后的光束入射到光束扩束器(3)进行扩束，扩束后的光束经过光阑(4)，从光阑(4)中心透过的光束之后经过第一偏振片(5)后得到偏振光，偏振光之后入射到分光镜(6)后得到透射光，透射光入射到空间光调制器(7)进行光强调制，空间光调制器(7)调制后的光束再次入射到分光镜(6)得到反射光，反射光入射到第二偏振片(8)，第二偏振片(8)使得信号光透过，然后入射到图像采集器件(9)，得到复合涡旋光强度分布；
所述空间光调制器(7)为振幅型的空间光调制器。
2.如权利要求1所述的产生复合涡旋光束的装置，其特征在于，所述第一偏振片(5)和第二偏振片(8)均为可旋转的偏振片。
3.如权利要求2所述的产生复合涡旋光束的装置，其特征在于，所述第一偏振片(5)的表面法线与入射光光轴夹角为7°～15°。
4.如权利要求3所述的产生复合涡旋光束的装置，其特征在于，所述第一偏振片(5)的表面法线与入射光光轴夹角为10°。
5.如权利要求1所述的产生复合涡旋光束的装置，其特征在于，所述第一偏振片(5)使得偏振光的偏振方向和所述空间光调制器(7)要求的入射偏振方向相同，第二偏振片(8)的偏振方向和信号光的偏振方向相同。
6.如权利要求1所述的产生复合涡旋光束的装置，其特征在于，所述分光镜(6)的分光比为30％～70％。
7.如权利要求6所述的产生复合涡旋光束的装置，其特征在于，所述分光镜(6)的分光比为50％。
8.如权利要求1所述的产生复合涡旋光束的装置，其特征在于，所述图像采集器件(9)设置在位移平台(10)上。
9.如权利要求1-8任一所述的产生复合涡旋光束的装置，其特征在于，所述光束扩束器(3)包括第1级扩束器(3-1)、扩束器内部光阑(3-2)和第2级扩束器(3-3)。
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