CN110244539B - 一种产生多环涡旋光束的方法 - Google Patents

一种产生多环涡旋光束的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110244539B
CN110244539B CN201910414794.9A CN201910414794A CN110244539B CN 110244539 B CN110244539 B CN 110244539B CN 201910414794 A CN201910414794 A CN 201910414794A CN 110244539 B CN110244539 B CN 110244539B
Authority
CN
China
Prior art keywords
vortex
light
beams
topological charge
ring
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.)
Active
Application number
CN201910414794.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110244539A (zh
Inventor
柯熙政
张蕾
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.)
Xian University of Technology
Original Assignee
Xian University of Technology
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 Xian University of Technology filed Critical Xian University of Technology
Priority to CN201910414794.9A priority Critical patent/CN110244539B/zh
Publication of CN110244539A publication Critical patent/CN110244539A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110244539B publication Critical patent/CN110244539B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/0005—Adaptation of holography to specific applications
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
    • G03H2001/0208—Individual components other than the hologram
    • G03H2001/0224—Active addressable light modulator, i.e. Spatial Light Modulator [SLM]

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种产生多环涡旋光束的方法，将激光器发出的基模高斯光束经过分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器1，生成拓扑荷数为l1的涡旋光束，另一束光经过第二个分束器分为两束光，重复用使用分束器分光束操作，直至被分束的其中一束光经过空间光调制器n，生成拓扑荷数为ln的涡旋光束，这n束涡旋光束分别反射到偏振片上，经由合束器将n束涡旋光束正交叠加，得到n环涡旋光束，即多环涡旋光束。本发明一种产生多环涡旋光束的方法主要研究利用不同轨道角动量之间的正交性进行叠加产生多环涡旋光。相比于现有方法存在的局限性，本方法可以将任意不同的拓扑荷数的涡旋光束进行叠加，产生多环涡旋光束。

Description

一种产生多环涡旋光束的方法
技术领域
本发明属于无线激光通信技术领域，涉及一种不同拓扑荷数的涡旋光束正交叠加后产生多环状涡旋光束的方法。
背景技术
涡旋光束是一种具有螺旋波前分布的特殊光场，同时具有相位奇点。相位奇点在光束的中心部分，在该点处光强几乎为零，在传输过程中光束会呈现螺旋形的波面结构，同时携带有与方位角相关的连续螺旋状相位因子。具有不同拓扑荷数的轨道角动量(OrbitalAngular Momentum，OAM)模式之间相互正交，理论上拓扑荷可取无穷个，因此可实现在同一波长上复用多个涡旋光束，提高通信速率和信道容量。
随着对涡旋现象研究的不断深入，该领域已经出现越来越多的新奇特性和应用价值，尤其在研究两束或多束涡旋光相互叠加时，发现新合成光涡旋是多种多样的，包括涡旋的位置、数目等都会发生变化且呈现出一定的规律。多涡旋光束携带不同的拓扑荷数，其轨道角动量相比于单个拓扑荷数的涡旋光束具有多样性，可以携带更多信息，在利用轨道角动量的自由空间光学通信系统中，多涡旋光束具有更高的稳定性和可行性。多涡旋光束在传输过程中稳定性较高，相对于单涡旋光束，其在自由空间光学通信系统中能够得到更好的应用。
目前产生多环涡旋光束的方法有，通过将拓扑荷数相差较大的两束或多束涡旋光束叠加，产生双环或多环涡旋光束；将束腰半径相差较大的两束或多束涡旋光束叠加产生双环或多环涡旋光束。但这两种方法都有局限性，需要拓扑荷数或束腰半径相差较大才能实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种产生多环涡旋光束的方法，解决了现有技术中存在的需要拓扑荷数或束腰半径相差较大的多束涡旋光叠加产生多环涡旋光束的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种产生多环涡旋光束的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、根据所用的平面光波和涡旋光束干涉叠加的电场表达式，在计算机中模拟生成叉形光栅全息图；
步骤2、把步骤1中产生的叉形光栅全息图加载到空间光调制器上，用基模高斯光束通过空间光调制器生成涡旋光束；
步骤3、将n束不同拓扑荷数的涡旋光束进行正交叠加，生成n环涡旋光束，即多环涡旋光束，n是大于等于2的正整数。
本发明的特点还在于：
生成叉形光栅全息图的所用平面光波的电场表达式为：
E1＝A1exp(-ikx) (1)
式中E1为平面光波的电场，A1为平面光波的振幅，k为平面波波数，i 为虚数，k＝2π/λ，λ为波长，x为位置坐标；
生成叉形光栅全息图的所用涡旋光束的电场表达式为：
E2＝A2exp(ilθ) (2)
式中E2为涡旋光束的电场，A2为涡旋光束的振幅，l为涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，令A1＝A2＝A0，A0,A1,A2为常数，则(1)式(2)式叠加后的电场为：
E＝E1+E2＝A0exp(i2πx/λ)+A0exp(ilθ) (3)
式中E为平面光波和涡旋光束叠加后的电场，A0为平面光波和涡旋光束叠加后的振幅，根据光强计算公式I＝EE*可得
Figure BDA0002063994000000031
式中I为平面光波和涡旋光束干涉叠加后的光强；
步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、使用扩束准直系统对激光器发出的基模高斯光束进行扩束准直；
步骤2.2、把步骤2.1所得的基模高斯光束通过具有加载步骤1所得的叉形光栅全息图的空间光调制器后得到所需涡旋光束；
所需的涡旋光束中拓扑荷数为l的单束涡旋光束的复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000032
其中LG表示此单束涡旋光束的复振幅，w0表示束腰半径,l为涡旋光束的拓扑荷数，r为径向距离，θ为方位角。
步骤3按照以下具体步骤实施：
步骤3.1、由激光器发出的基模高斯光束经过分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器1，生成拓扑荷数为l1的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000033
另一束光经过第二个分束器分为两束光，其中一束光经过空间光调制器2，生成拓扑荷数为l2的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000034
以此类推，直至被分束的其中一束光经过空间光调制器n，生成拓扑荷数为ln的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000035
步骤3.2、步骤3.1中的n束涡旋光束分别反射到偏振片上，经由合束器将n束涡旋光束正交叠加，得到n环涡旋光束，即多环涡旋光束。
多环涡旋光束复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000041
其中LG(n)表示此n环涡旋光束的复振幅，
Figure BDA0002063994000000042
表示拓扑荷数为l1时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000043
表示拓扑荷数为l2时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000044
表示拓扑荷数为ln时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000045
表示在各个方向上的单位向量；
所述多环涡旋光束的光强表达式为：
I(n)＝LG(n)×LG(n)* (7)
本发明的有益效果是：
1、本发明一种产生多环涡旋光束的方法主要研究利用不同轨道角动量之间的正交性进行叠加产生多环涡旋光，其特点是可以选择任意不同的拓扑荷的涡旋光束进行叠加，具有普遍性；
2、本发明一种产生多环涡旋光束的方法操作简单，容易实现。
附图说明
图1是本发明一种产生多环涡旋光束的方法的实验装置图；
图2是本发明一种产生多环涡旋光束的方法产生的双环涡旋光束的光强图和相位图；
图3是本发明一种产生多环涡旋光束的方法产生的三环涡旋光束的光强图和相位图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种产生多环涡旋光束的方法，实验装置如图1所示，包括激光器，激光器发射处的光束通过分束器分为两束光，一束光依次通过空间光调制器1与偏振片1，空间光调制器用数据线连接计算机1；另一束光通过分束器分为两束光，一束光依次通过空间光调制器2与偏振片2，空间光调制器2用数据线连接计算机2；依次类推，实验装置连接有若干个分束器、空间光调制器及偏振片；通过偏振片的涡旋光束经由合束器正交叠加，得到多环涡旋光束，多环涡旋光束经过光学相机CCD，光学相机CCD通过导线连接计算机。
本发明一种产生多环涡旋光束的方法所用到的实验装置主要部件的作用分别如下：
激光器：激光器为波长λ＝632.8nm的氦氖激光器，激光器在步骤2种发射基模高斯光束；
分束器；将射入的光束分为两束光束；
空间光调制器：加载叉形光栅全息图的载体；
连接空间光调制器的计算机：计算机用matlab模拟仿真得到不同拓扑荷数下的叉形光栅全息图；
偏振片：改变涡旋光束偏振方向；
合束器：正交叠加涡旋光束；
连接光学相机CCD的计算机：观测得到多环涡旋光束图像。
本发明一种产生多环涡旋光束的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、根据所用的平面光波和涡旋光束干涉叠加的电场表达式，在计算机中模拟生成叉形光栅全息图；
步骤2、把步骤1中产生的叉形光栅全息图加载到空间光调制器上，用基模高斯光束通过空间光调制器生成涡旋光束；
步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、使用扩束准直系统对激光器发出的基模高斯光束进行扩束准直；
步骤2.2、把步骤2.1所得的基模高斯光束通过具有加载步骤1所得的叉形光栅全息图的空间光调制器后得到所需涡旋光束；
步骤3、将n束不同拓扑荷数的涡旋光束进行正交叠加，生成n环涡旋光束，即多环涡旋光束，n是大于等于2的正整数；
步骤3按照以下具体步骤实施：
步骤3.1、由激光器发出的基模高斯光束经过分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器1，生成拓扑荷数为l1的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000061
另一束光经过第二个分束器分为两束光，其中一束光经过空间光调制2，生成拓扑荷数为l2的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000062
以此类推，直至被分束的其中一束光经过空间光调制器n，生成拓扑荷数为ln的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000063
步骤3.2、步骤3.1中的n束涡旋光束分别反射到偏振片上，经由合束器将n束涡旋光束正交叠加，得到n环涡旋光束，即多环涡旋光束。
生成叉形光栅全息图的所用平面光波的电场表达式为：
E1＝A1exp(-ikx) (1)
式中E1为平面光波的电场，A1为平面光波的振幅，k为平面波波数，i 为虚数，k＝2π/λ，λ为波长，x为位置坐标；
生成叉形光栅全息图的所用涡旋光束的电场表达式为：
E2＝A2exp(ilθ) (2)
式中E2为涡旋光束的电场，A2为涡旋光束的振幅，l为涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，令A1＝A2＝A0，A0,A1,A2为常数，则(1)式(2)式叠加后的电场为：
E＝E1+E2＝A0exp(i2πx/λ)+A0exp(ilθ) (3)
式中E为平面光波和涡旋光束叠加后的电场，A0为平面光波和涡旋光束叠加后的振幅，
根据光强计算公式I＝EE*可得
Figure BDA0002063994000000071
式中I为平面光波和涡旋光束干涉叠加后的光强；
所需的涡旋光束中拓扑荷数为l的单束涡旋光束的复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000072
其中LG表示此单束涡旋光束的复振幅，w0表示束腰半径,l为涡旋光束的拓扑荷数，r为径向距离，θ为方位角。
多环涡旋光束复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000073
其中LG(n)表示此n环涡旋光束的复振幅，
Figure BDA0002063994000000074
表示拓扑荷数为l1时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000075
表示拓扑荷数为l2时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000076
表示拓扑荷数为ln时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000077
表示在各个方向上的单位向量；
多环涡旋光束的光强表达式为
I(n)＝LG(n)×LG(n)* (7)
本发明的有益效果：本发明一种产生多环涡旋光束的方法主要研究利用不同轨道角动量之间的正交性进行叠加产生多环涡旋光。相比于现有方法存在的局限性，本方法可以将任意不同的拓扑荷数的涡旋光束进行叠加，产生多环涡旋光束。
实施例1
步骤1、根据所用的平面光波和涡旋光束干涉叠加的电场表达式，在计算机中模拟生成叉形光栅全息图；
生成叉形光栅全息图的所用平面光波的电场表达式为：
E1＝A1exp(-ikx) (1.1)
式中E1为平面光波的电场，A1为平面光波的振幅，k为平面波波数，i 为虚数，k＝2π/λ，λ为波长，x为位置坐标；
生成叉形光栅全息图的所用涡旋光束的电场表达式为：
E2＝A2exp(ilθ) (2.1)
式中E2为涡旋光束的电场，A2为涡旋光束的振幅，l为涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，令A1＝A2＝A0，A0,A1,A2为常数，则(1)式(2)式叠加后的电场为：
E＝E1+E2＝A0exp(i2πx/λ)+A0exp(ilθ) (3.1)
式中E为平面光波和涡旋光束叠加后的电场，A0为平面光波和涡旋光束叠加后的振幅，
根据光强计算公式I＝EE*可得
Figure BDA0002063994000000081
式中I为平面光波和涡旋光束干涉叠加后的光强；
步骤2、把步骤1中产生的叉形光栅全息图加载到空间光调制器上，用基模高斯光束通过空间光调制器生成涡旋光束；
步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、使用扩束准直系统对波长λ＝632.8nm的氦氖激光器发出的基模高斯光束进行扩束准直；
步骤2.2、把步骤2.1所得的基模高斯光束通过具有加载步骤1所得的叉形光栅全息图的空间光调制器后得到所需涡旋光束；
步骤3、将2束不同拓扑荷数的涡旋光束进行正交叠加，生成2环涡旋光束，即双环涡旋光束；
步骤3按照以下具体步骤实施：
步骤3.1、由波长λ＝632.8nm的氦氖激光器发出的基模高斯光束经过分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器1，生成拓扑荷数为l1的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000091
另一束光经过空间光调制器2，生成拓扑荷数为l2的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000092
步骤3.2、步骤3.1中的2束涡旋光束分别反射到偏振片上，经由合束器将2束涡旋光束正交叠加，得到2环涡旋光束，即双环涡旋光束。
所需的涡旋光束中拓扑荷数为l的单束涡旋光束的复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000093
其中LG表示此单束涡旋光束的复振幅，w0表示束腰半径,l为涡旋光束的拓扑荷数，r为径向距离，θ为方位角。
双环涡旋光束复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000094
其中LG(two)表示此双涡旋光束的复振幅，
Figure BDA0002063994000000095
表示拓扑荷数为l1时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000096
表示x轴方向的单位向量，
Figure BDA0002063994000000097
表示拓扑荷数为l2时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000098
表示y轴方向的单位向量；
双环涡旋光束的光强表达式为
I(two)＝LG(two)×LG(two)* (7.1)
通过光学相机CCD上观测得到的双环涡旋光束图像，根据(5.1)(6.1) (7.1)式在计算机上用matlab模拟仿真就可以得到产生双环涡旋光束的光强和相位如图2所示：图2是两束不同拓扑荷数的涡旋光束进行正交叠加的光强图和相位图，图2a是l1＝1，l2＝3的光强图，图2b是l1＝2，l2＝5的光强图，图2c是l1＝-2，l2＝5的光强图，图2d是l1＝1，l2＝3的相位图，图2e 是l1＝2，l2＝5的相位图，图2f是l1＝-2，l2＝5的相位图，观察光强图像可得，当光束正交叠加的时候产生的光强图为同心环形状，当内环拓扑荷保持不变，外环拓扑和增大时，两者间的距离增大，但互不影响，保持独立。观察相位图可知其中内部为拓扑荷数较小的涡旋光束的相位，外部为拓扑荷数较大的涡旋光束的相位。
实施例2
步骤1、根据所用的平面光波和涡旋光束干涉叠加的电场表达式，在计算机中模拟生成叉形光栅全息图；
生成叉形光栅全息图的所用平面光波的电场表达式为：
E1＝A1exp(-ikx) (1.2)
式中E1为平面光波的电场，A1为平面光波的振幅，k为平面波波数，i 为虚数，k＝2π/λ，λ为波长，x为位置坐标；
生成叉形光栅全息图的所用涡旋光束的电场表达式为：
E2＝A2exp(ilθ) (2.2)
式中E2为涡旋光束的电场，A2为涡旋光束的振幅，l为涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，令A1＝A2＝A0，A0,A1,A2为常数，则(1)式(2)式叠加后的电场为：
E＝E1+E2＝A0exp(i2πx/λ)+A0exp(ilθ) (3.2)
式中E为平面光波和涡旋光束叠加后的电场，A0为平面光波和涡旋光束叠加后的振幅，
根据光强计算公式I＝EE*可得
Figure BDA0002063994000000111
式中I为平面光波和涡旋光束干涉叠加后的光强；
步骤2、把步骤1中产生的叉形光栅全息图加载到空间光调制器上，用基模高斯光束通过空间光调制器生成涡旋光束；
步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、使用扩束准直系统对波长λ＝632.8nm的氦氖激光器发出的基模高斯光束进行扩束准直；
步骤2.2、把步骤2.1所得的基模高斯光束通过具有加载步骤1所得的叉形光栅全息图的空间光调制器后得到所需涡旋光束；
步骤3、将3束不同拓扑荷数的涡旋光束进行正交叠加，生成3环涡旋光束，即三环涡旋光束；
步骤3按照以下具体步骤实施：
步骤3.1、由波长λ＝632.8nm的氦氖激光器发出的基模高斯光束经过分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器1，生成拓扑荷数为l1的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000112
另一束光经过第二个分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器2，生成拓扑荷数为l2的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000113
第3束光经过空间光调制器3，生成拓扑荷数为l3的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000114
步骤3.2、步骤3.1中的3束涡旋光束分别反射到偏振片上，经由合束器将3束涡旋光束正交叠加，得到3环涡旋光束，即三环涡旋光束。
所需的涡旋光束中拓扑荷数为l的单束涡旋光束的复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000121
其中LG表示此单束涡旋光束的复振幅，w0表示束腰半径,l为涡旋光束的拓扑荷数，r为径向距离，θ为方位角。
双环涡旋光束复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000122
其中LG(three)表示此三环涡旋光束的复振幅，
Figure BDA0002063994000000123
表示拓扑荷数为l1时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000124
表示x轴方向的单位向量，
Figure BDA0002063994000000125
表示拓扑荷数为l2时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000126
表示y轴方向的单位向量，
Figure BDA0002063994000000127
表示拓扑荷数为l3时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000128
表示z 轴方向的单位向量；
三环涡旋光束的光强表达式为
I(three)＝LG(three)×LG(three)* (7.2)
通过光学相机CCD上观测得到的三环涡旋光束图像，根据(5.2)(6.2) (7.2)式在计算机上用matlab模拟仿真就可以得到产生三环涡旋光束的光强和相位如图3所示：图3是三束不同拓扑荷数的涡旋光束进行正交叠加的光强图和相位图，图3a是l1＝1，l2＝3，l3＝5的光强图，图3b是l1＝2，l2＝3， l3＝7的光强图，图3c是l1＝-2，l2＝3，l3＝7的光强图，图3d是l1＝1，l2＝3， l3＝5的相位图，图3e是l1＝2，l2＝3，l3＝7的相位图，图3f是l1＝-2，l2＝3，l3＝7的相位图，其特点和双环特点相同。
实施例3
步骤1、根据所用的平面光波和涡旋光束干涉叠加的电场表达式，在计算机中模拟生成叉形光栅全息图；
生成叉形光栅全息图的所用平面光波的电场表达式为：
E1＝A1exp(-ikx) (1.3)
式中E1为平面光波的电场，A1为平面光波的振幅，k为平面波波数，i 为虚数，k＝2π/λ，λ为波长，x为位置坐标；
生成叉形光栅全息图的所用涡旋光束的电场表达式为：
E2＝A2exp(ilθ) (2.3)
式中E2为涡旋光束的电场，A2为涡旋光束的振幅，l为涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，令A1＝A2＝A0，A0,A1,A2为常数，则(1)式(2)式叠加后的电场为：
E＝E1+E2＝A0exp(i2πx/λ)+A0exp(ilθ) (3.3)
式中E为平面光波和涡旋光束叠加后的电场，A0为平面光波和涡旋光束叠加后的振幅，
根据光强计算公式I＝EE*可得
Figure BDA0002063994000000131
式中I为平面光波和涡旋光束干涉叠加后的光强；
步骤2、把步骤1中产生的叉形光栅全息图加载到空间光调制器上，用基模高斯光束通过空间光调制器生成涡旋光束；
步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、使用扩束准直系统对波长λ＝632.8nm的氦氖激光器发出的基模高斯光束进行扩束准直；
步骤2.2、把步骤2.1所得的基模高斯光束通过具有加载步骤1所得的叉形光栅全息图的空间光调制器后得到所需涡旋光束；
步骤3、将4束不同拓扑荷数的涡旋光束进行正交叠加，生成4环涡旋光束，即四环涡旋光束；
步骤3按照以下具体步骤实施：
步骤3.1、由波长λ＝632.8nm的氦氖激光器发出的基模高斯光束经过分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器1，生成拓扑荷数为l1的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000141
另一束光经过第二个分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器2，生成拓扑荷数为l2的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000142
以此类推，直至被分束的其中一束光经过空间光调制器4，生成拓扑荷数为l4的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000143
步骤3.2、步骤3.1中的4束涡旋光束分别反射到偏振片上，经由合束器将4束涡旋光束正交叠加，得到4环涡旋光束，即四环涡旋光束；
所需的涡旋光束中拓扑荷数为l的单束涡旋光束的复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000144
其中LG表示此单束涡旋光束的复振幅，w0表示束腰半径,l为涡旋光束的拓扑荷数，r为径向距离，θ为方位角；
四环涡旋光束复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000145
其中LG(four)表示此四环涡旋光束的复振幅，
Figure BDA0002063994000000146
表示拓扑荷数为l1时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000147
表示拓扑荷数为l2时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000148
表示拓扑荷数为l3时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000149
表示拓扑荷数为l4时的复振幅，
Figure BDA00020639940000001410
表示四个正交方向的单位向量；
四环涡旋光束的光强表达式为
I(four)＝LG(four)×LG(four)* (7.3)
实施例4
步骤1、根据所用的平面光波和涡旋光束干涉叠加的电场表达式，在计算机中模拟生成叉形光栅全息图；
生成叉形光栅全息图的所用平面光波的电场表达式为：
E1＝A1exp(-ikx) (1.4)
式中E1为平面光波的电场，A1为平面光波的振幅，k为平面波波数，i 为虚数，k＝2π/λ，λ为波长，x为位置坐标；
生成叉形光栅全息图的所用涡旋光束的电场表达式为：
E2＝A2exp(ilθ) (2.4)
式中E2为涡旋光束的电场，A2为涡旋光束的振幅，l为涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，令A1＝A2＝A0，A0,A1,A2为常数，则(1)式(2)式叠加后的电场为：
E＝E1+E2＝A0exp(i2πx/λ)+A0exp(ilθ) (3.4)
式中E为平面光波和涡旋光束叠加后的电场，A0为平面光波和涡旋光束叠加后的振幅，
根据光强计算公式I＝EE*可得
Figure BDA0002063994000000151
式中I为平面光波和涡旋光束干涉叠加后的光强；
步骤2、把步骤1中产生的叉形光栅全息图加载到空间光调制器上，用基模高斯光束通过空间光调制器生成涡旋光束；
步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、使用扩束准直系统对波长λ＝632.8nm的氦氖激光器发出的基模高斯光束进行扩束准直；
步骤2.2、把步骤2.1所得的基模高斯光束通过具有加载步骤1所得的叉形光栅全息图的空间光调制器后得到所需涡旋光束；
步骤3、将5束不同拓扑荷数的涡旋光束进行正交叠加，生成5环涡旋光束，即五环涡旋光束；
步骤3按照以下具体步骤实施：
步骤3.1、由波长λ＝632.8nm的氦氖激光器发出的基模高斯光束经过分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器1，生成拓扑荷数为l1的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000161
另一束光经过第二个分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器2，生成拓扑荷数为l2的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000162
以此类推，直至被分束的其中一束光经过空间光调制器5，生成拓扑荷数为l5的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000163
步骤3.2、步骤3.1中的5束涡旋光束分别反射到偏振片上，经由合束器将5束涡旋光束正交叠加，得到5环涡旋光束，即五环涡旋光束；
所需的涡旋光束中拓扑荷数为l的单束涡旋光束的复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000164
其中LG表示此单束涡旋光束的复振幅，w0表示束腰半径,l为涡旋光束的拓扑荷数，r为径向距离，θ为方位角。
五环涡旋光束的复振幅表达式：
Figure BDA0002063994000000165
其中LG(five)表示此五环涡旋光束的复振幅，
Figure BDA0002063994000000166
表示拓扑荷数为l1时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000167
表示拓扑荷数为l2时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000168
表示拓扑荷数为l3时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000171
表示拓扑荷数为l4时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000172
表示拓扑荷数为l5时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000173
表示5个正交方向的单位向量；
五环涡旋光束的光强表达式：
I(five)＝LG(five)×LG(five)* (7.4)
实施例5
步骤1、根据所用的平面光波和涡旋光束干涉叠加的电场表达式，在计算机中模拟生成叉形光栅全息图；
生成叉形光栅全息图的所用平面光波的电场表达式为：
E1＝A1exp(-ikx) (1.5)
式中E1为平面光波的电场，A1为平面光波的振幅，k为平面波波数，i 为虚数，k＝2π/λ，λ为波长，x为位置坐标；
生成叉形光栅全息图的所用涡旋光束的电场表达式为：
E2＝A2exp(ilθ) (2.5)
式中E2为涡旋光束的电场，A2为涡旋光束的振幅，l为涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，令A1＝A2＝A0，A0,A1,A2为常数，则(1)式(2)式叠加后的电场为：
E＝E1+E2＝A0exp(i2πx/λ)+A0exp(ilθ) (3.5)
式中E为平面光波和涡旋光束叠加后的电场，A0为平面光波和涡旋光束叠加后的振幅，
根据光强计算公式I＝EE*可得
Figure BDA0002063994000000174
式中I为平面光波和涡旋光束干涉叠加后的光强；
步骤2、把步骤1中产生的叉形光栅全息图加载到空间光调制器上，用基模高斯光束通过空间光调制器生成涡旋光束；
步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、使用扩束准直系统对波长λ＝632.8nm的氦氖激光器发出的基模高斯光束进行扩束准直；
步骤2.2、把步骤2.1所得的基模高斯光束通过具有加载步骤1所得的叉形光栅全息图的空间光调制器后得到所需涡旋光束；
步骤3、将6束不同拓扑荷数的涡旋光束进行正交叠加，生成6环涡旋光束，即六环涡旋光束；
步骤3按照以下具体步骤实施：
步骤3.1、由波长λ＝632.8nm的氦氖激光器发出的基模高斯光束经过分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器1，生成拓扑荷数为l1的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000181
另一束光经过第二个分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器2，生成拓扑荷数为l2的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000182
以此类推，直至被分束的其中一束光经过空间光调制器6，生成拓扑荷数为l6的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure BDA0002063994000000183
步骤3.2、步骤3.1中的6束涡旋光束分别反射到偏振片上，经由合束器将6束涡旋光束正交叠加，得到6环涡旋光束，即六环涡旋光束。
所需的涡旋光束中拓扑荷数为l的单束涡旋光束的复振幅表达式为：
Figure BDA0002063994000000184
其中LG表示此单束涡旋光束的复振幅，w0表示束腰半径,l为涡旋光束的拓扑荷数，r为径向距离，θ为方位角。
六环涡旋光束的复振幅表达式：
Figure BDA0002063994000000191
其中LG(six)表示此刘环涡旋光束的复振幅，
Figure BDA0002063994000000192
表示拓扑荷数为l1时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000193
表示拓扑荷数为l2时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000194
表示拓扑荷数为l3时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000195
表示拓扑荷数为l4时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000196
表示拓扑荷数为l5时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000197
表示拓扑荷数为l6时的复振幅，
Figure BDA0002063994000000198
表示6个正交方向的单位向量。
六环涡旋光束的光强表达式：
I(six)＝LG(six)×LG(six)* (7.5) 。

Claims (5)

1.一种产生多环涡旋光束的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、根据所用的平面光波和涡旋光束干涉叠加的电场表达式，在计算机中模拟生成叉形光栅全息图；
步骤2、把步骤1中产生的叉形光栅全息图加载到空间光调制器上，用基模高斯光束通过空间光调制器生成涡旋光束；
步骤3、将n束不同拓扑荷数的涡旋光束进行正交叠加，生成n环涡旋光束，即多环涡旋光束，n是大于等于2的正整数；
步骤3中多环涡旋光束复振幅表达式为：
Figure FDA0003020767730000011
其中LG(n)表示此n环涡旋光束的复振幅，
Figure FDA0003020767730000012
表示拓扑荷数为l1时的复振幅，
Figure FDA0003020767730000013
表示拓扑荷数为l2时的复振幅，
Figure FDA0003020767730000014
表示拓扑荷数为ln时的复振幅，
Figure FDA0003020767730000015
表示在各个方向上的单位向量；
所述多环涡旋光束的光强表达式为I(n)＝LG(n)×LG(n)* (7)。
2.根据权利要求1所述的的一种产生多环涡旋光束的方法，其特征在于，所述生成叉形光栅全息图的所用平面光波的电场表达式为：
E1＝A1exp(-ikx) (1)
式中E1为平面光波的电场，A1为平面光波的振幅，k为平面波波数，i为虚数，k＝2π/λ，λ为波长，x为位置坐标；
所述生成叉形光栅全息图的所用涡旋光束的电场表达式为：
E2＝A2exp(ilθ) (2)
式中E2为涡旋光束的电场，A2为涡旋光束的振幅，l为涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，令A1＝A2＝A0，A0，A1，A2为常数，则(1)式(2)式叠加后的电场为：
E＝E1+E2＝A0exp(i2πx/λ)+A0exp(ilθ) (3)
式中E为平面光波和涡旋光束叠加后的电场，A0为平面光波和涡旋光束叠加后的振幅，
根据光强计算公式I＝EE*得：
Figure FDA0003020767730000021
式中I为平面光波和涡旋光束干涉叠加后的光强。
3.根据权利要求1所述的一种产生多环涡旋光束的方法，其特征在于，所述步骤2按照以下具体步骤实施：
步骤2.1、使用扩束准直系统对激光器发出的基模高斯光束进行扩束准直；
步骤2.2、把步骤2.1所得的基模高斯光束通过具有加载步骤1所得的叉形光栅全息图的空间光调制器后得到所需涡旋光束。
4.根据权利要求3所述的一种产生多环涡旋光束的方法，其特征在于，所述所需的涡旋光束中拓扑荷数为l的单束涡旋光束的复振幅表达式为：
Figure FDA0003020767730000022
其中LG表示此单束涡旋光束的复振幅，w0表示束腰半径，l为涡旋光束的拓扑荷数，r为径向距离，θ为方位角。
5.根 据权利要求1所述的一种产生多环涡旋光束的方法，其特征在于，所述步骤3按照以下具体步骤实施：
步骤3.1、由激光器发出的基模高斯光束经过分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器1，生成拓扑荷数为l1的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure FDA0003020767730000023
另一束光经过第二个分束器分为两束光，其中一束光经过空间光调制器2，生成拓扑荷数为l2的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure FDA0003020767730000031
以此类推，直至被分束的其中一束光经过空间光调制器n，生成拓扑荷数为ln的涡旋光束，该涡旋光束的复振幅为
Figure FDA0003020767730000032
步骤3.2、步骤3.1中的n束涡旋光束分别反射到偏振片上，经由合束器将n束涡旋光束正交叠加，得到n环涡旋光束，即多环涡旋光束。
CN201910414794.9A 2019-05-17 2019-05-17 一种产生多环涡旋光束的方法 Active CN110244539B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910414794.9A CN110244539B (zh) 2019-05-17 2019-05-17 一种产生多环涡旋光束的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910414794.9A CN110244539B (zh) 2019-05-17 2019-05-17 一种产生多环涡旋光束的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110244539A CN110244539A (zh) 2019-09-17
CN110244539B true CN110244539B (zh) 2021-07-20

Family

ID=67884062

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910414794.9A Active CN110244539B (zh) 2019-05-17 2019-05-17 一种产生多环涡旋光束的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110244539B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111181639A (zh) * 2020-01-06 2020-05-19 西安理工大学 一种涡旋光束信息交换方法
CN111338091A (zh) * 2020-03-06 2020-06-26 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种基于高阶交叉相位的涡旋光整形和多奇点操控方法
CN111736334B (zh) * 2020-06-22 2022-03-29 武汉市艾玻睿光电科技有限公司 一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置
CN112147777B (zh) * 2020-08-26 2021-04-30 华南师范大学 一种产生多个离轴光学瓶的方法
CN115236787B (zh) * 2022-08-12 2023-05-16 浙江师范大学 多螺旋相位掩模板、多螺旋光束的生成方法和光调制器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104121996A (zh) * 2014-07-21 2014-10-29 河南科技大学 一种测量涡旋光束高阶拓扑荷的测量装置
CN106896498A (zh) * 2017-03-08 2017-06-27 华南师范大学 拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法
CN107193129A (zh) * 2017-05-11 2017-09-22 北京理工大学 一种可同时生成多路矢量涡旋光束的方法与装置
CN108667518A (zh) * 2018-04-17 2018-10-16 北京理工大学 一种基于多环涡旋光束的高维数字信号编解码方法与系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104121996A (zh) * 2014-07-21 2014-10-29 河南科技大学 一种测量涡旋光束高阶拓扑荷的测量装置
CN106896498A (zh) * 2017-03-08 2017-06-27 华南师范大学 拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法
CN107193129A (zh) * 2017-05-11 2017-09-22 北京理工大学 一种可同时生成多路矢量涡旋光束的方法与装置
CN108667518A (zh) * 2018-04-17 2018-10-16 北京理工大学 一种基于多环涡旋光束的高维数字信号编解码方法与系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于多环结构的八模态涡旋波微带天线;朱茂华 等;《电波科学学报》;20180815;第33卷(第4期);全文 *
多环涡旋光束的实验研究;黄素娟 等;《物体学报》;20141223;第63卷(第24期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110244539A (zh) 2019-09-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110244539B (zh) 一种产生多环涡旋光束的方法
Willner et al. Orbital angular momentum of light for communications
Chen et al. Generation and characterization of a perfect vortex beam with a large topological charge through a digital micromirror device
Huang et al. Composite vortex beams by coaxial superposition of Laguerre–Gaussian beams
Chen et al. Generation of vector beam with space-variant distribution of both polarization and phase
Hildebrand et al. Multiple-wavelength and multiple-source holography applied to contour generation
Salem et al. Microwave Bessel beams generation using guided modes
Wang et al. Orientation-selective elliptic optical vortex array
CN106896498A (zh) 拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法
CN110954213A (zh) 一种基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法
Yu et al. Orbital angular momentum mode detection of the combined vortex beam generated by coherent combining technology
Li et al. Measuring the topological charge of vortex beams with gradually changing-period spiral spoke grating
Cheng et al. Ellipticity-encrypted orbital angular momentum multiplexed holography
US9829717B1 (en) Pancharatnam-berry optical element/diffractive waveplate angular momentum sorter
CN110376749B (zh) 多层涡旋光束的产生方法及系统
Mamadou et al. High-efficiency sorting and measurement of orbital angular momentum modes based on the March–Zehnder interferometer and complex phase gratings
CN114077067B (zh) 一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置
Li et al. Multiple-dimensional multiplexed holography based on modulated chiro-optical fields
Wili et al. An accordion superlattice for controlling atom separation in optical potentials
Baliyan et al. Generating scalar and vector modes of Bessel beams utilizing holographic axicon phase with spatial light modulator
CN114815272B (zh) 一种叠加态涡旋光束的产生方法
CN111007671A (zh) 一种径向高阶完美涡旋光束的产生装置及方法
Ke et al. Study on orthogonal superposition generation method of double-ring vortex beams
Liu et al. Topological charge parallel measurement method for optical vortices based on computer-generated holography
Kotlyar et al. Converting an array of edge dislocations into a multi-vortex beam

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant