CN110376749B - 多层涡旋光束的产生方法及系统 - Google Patents

多层涡旋光束的产生方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多层涡旋光束的产生方法，其包括步骤：生成高斯光束，并将所述高斯光束传输至空间光调制器；于所述空间光调制器加载一构造相位图，其中所述构造相位图由零等相位、涡旋相位以及2π相位组成；通过所述空间光调制器加载的所述构造相位图对所述高斯光束进行相位调制，并通过傅里叶透镜进行傅里叶变换，得到多层涡旋光束。本发明还涉及一种多层涡旋光束的生成系统。

Description

多层涡旋光束的产生方法及系统
技术领域
本发明涉及光学技术及光场调控领域，特别是涉及一种多层涡旋光束产生方法和系统。
背景技术
涡旋光束是一类具有螺旋相位波前的特殊光场，中心存在一个暗核，所以呈聚焦于环状、而非点状的光场。同时涡旋光束还携带轨道角动量，其大小由拓扑荷值决定。拓扑荷值可以为任意整数，也就是说光子的轨道角动量具有高维性，该特性使得涡旋光束被应用于多个领域，如量子信息、量子计算、光通信等。
涡旋光束还可以用来旋转粒子，因其具有的轨道角动量可以转移给粒子，从而驱使粒子作旋转运动。正是因为涡旋光束具有螺旋相位波前和轨道角动量的两大特性，所以该光束在微粒操控、光通信、量子密码学、光学微加工、生物医学等领域具有广泛的应用。
然而，目前涡旋光束多为利用干涉产生的全息图来产生，一般需要引入参考光束，对实验环境要求较高，而且通常产生的仅为单涡旋光束。为了拓展涡旋光场在光学微操纵、光学微加工、生物光子学、光通信等领域的应用，急需开发更加便捷、灵活可调的涡旋光场。
发明内容
基于此，有必要针对以上问题，提供一种多层涡旋光束的产生方法和系统。
一种多层涡旋光束的产生方法，包括步骤：
生成高斯光束，并将所述高斯光束传输至空间光调制器；
于所述空间光调制器加载一构造相位图，其中所述构造相位图由零等相位、涡旋相位以及2π相位组成；
通过所述空间光调制器加载的所述构造相位图对所述高斯光束进行相位调制，并通过傅里叶透镜进行傅里叶变换，得到多层涡旋光束。
一种多层涡旋光束的生成系统，包括：
高斯光发射单元，用于发射高斯光束；
空间光调制器，位于高斯光束的传输光路上，所述空间光调制器加载有预定的构造相位图，依据所述构造相位图对所述高斯光束进行调制，得到调制后的多层涡旋光束，其中所述构造相位图由零等相位、涡旋相位以及2π相位组成。
所述多层涡旋光束的产生方法和系统，具有以下优点：
(1)通过多个以环形涡旋相位、零等相位组成的子环形相位同轴叠加，每两个相邻的所述子环形相位之间设置一个2π相位，构造出所需的相位图，从而调制得到多层涡旋光束。无需引入参考光束，因此，对实验环境的要求较低。
(2)通过调控拓扑荷数ln，N，径向平移因子Rn参数的大小，可以实现种类丰富的多层涡旋光束。所述多层涡旋光束可以灵活地进行多粒子旋转和光学微加工，为粒子旋转和光学微加工提供更多的自由度。该得到的多层涡旋光束，结构上更加灵活，光场分布清晰稳定，实现的功能更加灵活多样。
附图说明
图1本发明提供的多层涡旋光束的生成系统的产生装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1所述双层涡旋光束的构造相位图，沿极轴方向拓扑荷数分别为3、3，R都取15。
图3为本发明实施例1所述双层涡旋光束的传播到某一Z平面的光场分布图。
图4为本发明实施例2所述三层涡旋光束的构造相位图，沿极轴方向拓扑荷数都为8，R都取15。
图5为本发明实施例2所述三层涡旋光束传播到某一Z平面的光场分布图。
具体实施方式
本发明提供一种多层涡旋光束的产生方法，该方法包括步骤：
生成高斯光束，并将所述高斯光束传输至空间光调制器；
于所述空间光调制器加载一构造相位图，其中所述构造相位图由零等相位、涡旋相位以及2π相位组成；
通过所述空间光调制器加载的所述构造相位图对所述高斯光束进行相位调制，得到调制后的多层涡旋光束。
所述构造相位图通过以下方法得到：
(1)设计多个子相位图，其中，所述子环形相位由相位值为0的环形等相位以及拓扑荷数为ln的环形涡旋相位组成，其中ln为任意正负整数，第n个环形相位
Figure BDA0002137162350000031
的表达式如下：
Figure BDA0002137162350000032
其中，(r,θ)为极坐标；rn1表示第n个环形零等相位的内圆半径；rn2表示第n个环形零等相位的外圆半径；rn3表示第n个环形涡旋相位的外圆半径；第n个环形涡旋相位的内圆半径等于第n个环形零等相位的外圆半径，且rn3≤r(n+1)1；n＝1,2,3···,N；N为大于或等于2的整数；Rn表示第n个子环形相位的径向平移因子，用来实现对涡旋光束的调控，Rn＞0；
(2)形成构造相位图，所述构造相位图由N个子环形相位以及多个2π相位，每两个相邻的所述子环形相位之间设置一个2π相位，所述构造相位图的中心为2π相位，所述构造相位图的表达式如下：
Figure BDA0002137162350000041
在所述将所述高斯光束传输至空间光调制器之前还包括：对所述高斯光束进行准直扩束的步骤。
对所述高斯光束进行相位调制，调制之后的光束表达式为
Figure BDA0002137162350000042
其中w0为高斯光束的束腰半径。
将调制之后的光束经过傅里叶变换，即可得到所述多层涡旋光束，其表达式为：
Figure BDA0002137162350000043
其中U(ρ,φ)为多层涡旋光束，E(r,θ)为构造相位图调制后的光场表达式，(r,θ)和(ρ,φ)分别为傅里叶透镜前焦面和后焦面的极坐标。
将所述高斯光束传输至空间光调制器之前还包括：对所述高斯光束进行准直扩束的步骤。
本申请还提供了上述多层涡旋光束的生成系统，其包括：高斯光发射单元，用于发射高斯光束；空间光调制器，位于高斯光束的传输光路上，所述空间光调制器加载有预定的构造相位图，依据所述构造相位图对所述高斯光束进行调制，得到调制后的多层涡旋光束，其中所述构造相位图由零等相位、涡旋相位以及2π相位组成。
具体的，该产生系统包括高斯光发射单元(即为激光器1)、准直扩束镜2、分光棱镜3、空间光调制器4、计算机5以及傅里叶透镜6、图像传感接收器(CCD)7以及显示器8。
该激光器1用于发出高斯光束。该激光器1可为He-Ne激光器、Ar离子激光器等。优选的，可采用可见光波长为632.8nm的He-Ne激光器。
该准直扩束镜2用于对高斯光束进行准直和扩束。该准直扩束镜2中的焦距和通光口径根据具体需要调节。优选的，该准直扩束镜2的焦距300mm，通光口径50mm。
该分光棱镜3起到对准直和扩束后的高斯光束进行分光的作用。优选的，该分光棱镜3的尺寸为25*25mm。
所述计算机5用于向所述空间光调制器4预先加载一相位图形。所述相位图形具体为不同取值的ln，N，Rn等参数设计的构造相位图。
所述空间光调制器4通过预先加载的相位图形而对所述高斯光束进行相位调制。优选的，空间光调制器4的像素大小为8μm，分辨率为1920*1080，工作波段400～700nm。
所述傅里叶透镜6用于对经过相位调制的光束进行傅里叶变换以得到多层涡旋光束。优选的，所述傅里叶透镜6的焦距300mm。
所述图像传感接收器7，CCD分辨率为1600×1200pixels，光学尺寸为1/1.8"，用于接收多层涡旋光束。所述显示器8用于显示和观察。
所述产生系统的工作过程为：激光器1发射的高斯光束经过准直扩束镜2扩束，光束充满整个通光孔径；然后扩束的平行光投射到分光棱镜3上；通过计算机5设计具有确定取值的ln，N，Rn等参数的构造相位图，并将该相位图形加载于空间调制器4上，再通过加载了相位图形的空间光调制器4对将分光后的光束进行相位调制；之后，该调制后的光束再经过傅里叶透镜6进行傅里叶变换，而在傅里叶透镜6后焦面上产生多层涡旋光束；通过CCD接收器7接收，最终可通过显示器8显示观察。
以下通过实施例进行进一步的说明。
实施例1
本实施例提供了一种多层涡旋光束的产生方法，主要包括以下步骤：
(1)构造相位图由两个子环形相位构成(N＝2)，表达式为
Figure BDA0002137162350000061
其中，
Figure BDA0002137162350000062
为第一个子环形相位，
Figure BDA0002137162350000063
为第二个子环形相位。
(2)第一个子环形相位表达式为
Figure BDA0002137162350000064
其中，(r,θ)为极坐标；r11表示第1个环形零等相位内圆半径，r12表示第1个环形零等相位外圆半径，同时也就是第1个环形涡旋相位内圆半径，r13表示第1个环形涡旋相位外圆半径，R1表示第一个子环形相位的径向平移因子，用来实现对涡旋光束的调控，使涡旋光束与高斯光束叠加，l1表示第一个子环形相位中涡旋相位的拓扑荷值。
第二个子环形相位表达式为
Figure BDA0002137162350000065
其中，(r,θ)为极坐标；r21表示第2个环形零等相位内圆半径，r22表示第2个环形零等相位外圆半径，同时也就是第2个环形涡旋相位内圆半径，r23表示第2个环形涡旋相位外圆半径，R2表示第二个子环形相位的径向平移因子，用来实现对涡旋光束的调控，使涡旋光束与高斯光束叠加，l2表示第二个子环形相位中涡旋相位的拓扑荷值，令r13＜r21。
(3)通过计算机5设计N＝2、R1＝15、l1＝3、R2＝15、l2＝3的构造相位图(参阅图2)，并将该相位图形加载于空间调制器4上，再通过加载了相位图形的空间光调制器4对将分光后的光束进行相位调制，之后，该调制后的光束再经过傅里叶透镜6进行傅里叶变换，而在傅里叶透镜6后焦面上产生两层涡旋光束(参阅图3)，通过CCD接收器7接收，最终可通过显示器8显示观察。
实施例2
本实施例提供了一种三层涡旋光束的产生方法,主要包括以下步骤：
(1)构造相位图由两个子相位图构成(N＝3)，表达式为
Figure BDA0002137162350000071
其中，
Figure BDA0002137162350000072
为第一个子环形相位，
Figure BDA0002137162350000073
为第二个子环形相位，
Figure BDA0002137162350000074
为第三个子环形相位。
(2)第一个子环形相位表达式为
Figure BDA0002137162350000075
其中，(r,θ)为极坐标，r11表示第1个环形零等相位内圆半径，r12表示第1个环形零等相位外圆半径，同时也就是第1个环形涡旋相位内圆半径，r13表示第1个环形涡旋相位外圆半径，R1表示第一个子环形相位的径向平移因子，用来实现对涡旋光束的调控，使涡旋光束与高斯光束叠加，l1表示第一个子环形相位中涡旋相位的拓扑荷值。
第二个子环形相位表达式为
Figure BDA0002137162350000081
其中，(r,θ)为极坐标，r21表示第2个环形零等相位内圆半径，r22表示第2个环形零等相位外圆半径，同时也就是第2个环形涡旋相位内圆半径，r23表示第2个环形涡旋相位外圆半径，R2表示第二个子环形相位的径向平移因子，用来实现对涡旋光束的调控，使涡旋光束与高斯光束叠加；l2表示第二个子环形相位中涡旋相位的拓扑荷值；特别地，令r13＝r21。
第三个子环形相位表达式为
Figure BDA0002137162350000082
其中，(r,θ)为极坐标，r31表示第3个环形零等相位内圆半径，r32表示第3个环形零等相位外圆半径，同时也就是第3个环形涡旋相位内圆半径，r33表示第3个环形涡旋相位外圆半径，R3表示第三个子环形相位的径向平移因子，用来实现对涡旋光束的调控，使涡旋光束与高斯光束叠加，l3表示第三个子环形相位中涡旋相位的拓扑荷值。特别地，令r23＝r31。
通过计算机5设计N＝3、R1＝R2＝R3＝15、l1＝l2＝l3＝8的构造相位图(参阅图4)，并将该相位图形加载于空间调制器4上，再通过加载了相位图形的空间光调制器4对将分光后的光束进行相位调制；之后，该调制后的光束再经过傅里叶透镜6进行傅里叶变换，而在傅里叶透镜6后焦面上产生三层涡旋光束(参阅图5)；通过CCD接收器7接收，最终可通过显示器8显示观察。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
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 (6)

1.一种多层涡旋光束的产生方法，其特征在于，包括步骤：
生成高斯光束，并将所述高斯光束传输至空间光调制器；
于所述空间光调制器加载一构造相位图，其中所述构造相位图由零等相位、涡旋相位以及2π相位组成；
通过所述空间光调制器加载的所述构造相位图对所述高斯光束进行相位调制，并通过傅里叶透镜进行傅里叶变换，得到多层涡旋光束，
其中所述构造相位图通过以下方法得到：
(1)设计多个子环形相位，其中，所述子环形相位由相位值为0的环形等相位以及拓扑荷数为ln的环形涡旋相位组成，其中ln为任意正负整数，第n个环形相位
Figure FDA0003140944760000011
的表达式如下：
Figure FDA0003140944760000012
其中，(r,θ)为极坐标；rn1表示第n个环形零等相位的内圆半径；rn2表示第n个环形零等相位的外圆半径；rn3表示第n个环形涡旋相位的外圆半径；第n个环形涡旋相位的内圆半径等于第n个环形零等相位的外圆半径，且rn3≤r(n+1)1；n＝1,2,3···,N；N为大于或等于2的整数；Rn表示第n个子环形相位的径向平移因子，用来实现对涡旋光束的调控，Rn＞0；
(2)形成构造相位图，所述构造相位图由N个子环形相位以及多个2π相位，每两个相邻的所述子环形相位之间设置一个2π相位，所述构造相位图的中心为2π相位，所述构造相位图的表达式如下：
Figure FDA0003140944760000013
2.根据权利要求1所述的多层涡旋光束的产生方法，其特征在于，对所述高斯光束进行相位调制，调制之后的光束表达式为
Figure FDA0003140944760000021
其中w0为高斯光束的束腰半径。
3.根据权利要求1所述的多层涡旋光束的产生方法，其特征在于，在所述将所述高斯光束传输至空间光调制器之前还包括：对所述高斯光束进行准直扩束的步骤。
4.一种多层涡旋光束的生成系统，其特征在于，包括：
高斯光发射单元，用于发射高斯光束；
空间光调制器，位于高斯光束的传输光路上，所述空间光调制器加载有预定的构造相位图，依据所述构造相位图对所述高斯光束进行调制，得到调制后的多层涡旋光束，其中所述构造相位图由零等相位、涡旋相位以及2π相位组成，
其中，所述构造相位图通过以下方法得到：
(1)设计多个子环形相位，
其中，所述子环形相位由相位值为0的环形等相位以及拓扑荷数为ln的环形涡旋相位组成，其中ln为任意正负整数，第n个环形相位
Figure FDA0003140944760000022
的表达式如下：
Figure FDA0003140944760000023
其中，(r,θ)为极坐标；rn1表示第n个环形零等相位的内圆半径；rn2表示第n个环形零等相位的外圆半径；rn3表示第n个环形涡旋相位的外圆半径；第n个环形涡旋相位的内圆半径等于第n个环形零等相位的外圆半径，且rn3≤r(n+1)1；n＝1,2,3···,N；N为大于或等于2的整数；Rn表示第n个子环形相位的径向平移因子，用来实现对涡旋光束的调控，Rn＞0；
(2)形成构造相位图，所述构造相位图由N个子环形相位以及多个2π相位，每两个相邻的所述子环形相位之间设置一个2π相位，所述构造相位图的中心为2π相位，所述构造相位图的表达式如下：
Figure FDA0003140944760000031
5.根据权利要求4所述的多层涡旋光束的生成系统，其特征在于，还包括分束器，位于所述高斯光发射单元和所述空间光调制器之间，用于将所述高斯光束传输至空间光调制器。
6.根据权利要求5所述的多层涡旋光束的生成系统，其特征在于，还包括准直扩束镜，所述准直扩束镜位于所述高斯光发射单元和所述分束器之间，用于接收所述高斯光束并进行高斯光束准直扩束。
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CN205620619U (zh) * 2016-05-10 2016-10-05 华南师范大学 一种产生艾里高斯涡旋光束的装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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