CN110568618B - 利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置及方法，包括：激光光源；扩束准直镜，用于将来自光源的光转换为大口径平行光束；二元相位板，用于对大口径平行光束的光场的波前进行调制；第一傅里叶透镜，在其后焦面处为经过二元相位板后光场的频谱；滤波器，允许中心光斑通过，在允许紧靠中心光斑的几个对称光斑通过的同时，并对几个对称光斑进行相位调制；第二傅里叶透镜，将相位调制后的对称光斑转换为对称的具有相同轴向波矢的平行光束，平行光束干涉，产生阵列涡旋光束；同时，第二傅里叶透镜将空间频谱中心光斑转换为一束沿光轴方向传输的平行光束，此光束将和涡旋光束阵列干涉，产生空间螺旋型光束阵列。

Description

利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置及方法
技术领域
本发明公开了一种利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的方法与装置。
背景技术
空间螺旋光束是一种在空间中具有特殊光强分布的光束，其强度分布沿光轴呈螺旋结构分布，在材料加工、微粒操控、粒子分流、光通信领域有着一定的应用价值。
目前，利用多光束干涉的方法可以产生具有一定规则排列的阵列涡旋光束，额外再加一束轴向平行光束和阵列涡旋光束干涉就可以产生空间螺旋光束阵列。以往利用液晶空间光调制器产生空间螺旋光束的方法存在着一些问题，比如液晶空间光调制器的能量利用率不高，液晶空间光调制器的像素尺寸较大，难以产生小尺度的阵列涡旋光束；所采用的光路比较复杂，而且液晶空间光调制器的价格比较昂贵，这些缺点都限制了阵列空间螺旋光束在实际生产生活中的应用。
发明人发现，现有技术中液晶空间光调制器的能量利用率不高，采用的光路比较复杂，限制了阵列空间螺旋光束在实际生产生活中的应用。
发明内容
基于以上各种问题，本发明采用周期型二元相位板，通过改变二元相位板的相位调制量，获得零级分量，并对经过二元相位板的光场的频谱进行调制，利用比较简单的光路，实现了涡旋光束阵列和轴向平面波的干涉，产生了空间螺旋光束阵列，相比于以往的方法具有能量利用率高、光路简单易于实现等优势，使得空间螺旋光束阵列有望得到比较广泛的应用。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提出的一种利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置，包括
激光光源；
扩束准直镜，设置在光源发出光的方向，用于将来自光源的光转换为大口径平行光束；
二元相位板，设置在扩束准直镜的后端，用于对大口径平行光束的光场的波前进行调制；
第一傅里叶透镜，设置在二元相位板的后端，在其后焦面处为经过二元相位板后光场的频谱；
滤波器，其放置在光场的频谱面处，允许中心光斑和紧靠中心光斑的几个对称光斑通过，并对几个对称光斑进行相位调制；第二傅里叶透镜，设置在滤波器的后端，将相位调制后的对称光斑转换为对称的具有相同轴向波矢的平行光束，平行光束干涉，产生阵列涡旋光束；同时，第二傅里叶透镜将空间频谱中心光斑转换为一束沿光轴方向传输的平行光束，此光束将和涡旋光束阵列干涉，产生空间螺旋型光束阵列。
进一步的，所述的二元相位板，在其片基上刻蚀有多个等边三角形结构，所有的等边三角结构分为两种，其中一种等边三角形结构的灰度大于另外一种等边三角形结构的灰度；这两种等边三角形结构在水平方向及和水平方向夹角为±60°方向的三个方向上交替分布，形成周期阵列分布。
进一步的，所述的二元相位板的片基上刻蚀有多个方格结构，所有的方格结构分为两种，一种方格结构内部分成四个等腰直角三角形，上下两个三角形的灰度大于左右两个三角形的灰度；另一种方格结构内部也分成四个等腰直角三角形，上下两个三角形的灰度小于左右两个三角形的灰度；这两种方格结构在竖直和水平方向上交替分布，最后形成矩形阵列。
本发明公开的利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置，应用于信息传输装置中，用于信息传输。
本发明公开的利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置，应用于材料加工装置中，用于材料的加工。
本发明公开的利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置，应用于粒子分流装置中，可实现对粒子进行分流。
本发明提出的一种利用前面所述的装置产生阵列螺旋光束的方法，包括：
激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束。大口径光束经过周期型二元相位板后光场的波前受到了调制，经过第一傅里叶透镜后，在第一傅里叶透镜的后焦面处获得光场的频谱，在频谱面处放置一滤波器，在允许紧靠中心光斑的几个对称光斑通过的同时，并对几个对称光斑进行相位调制，这几个经过相位调制的对称光斑经过第二傅里叶透镜后，将转换为几束对称的具有相同轴向波矢的平行光束，这几束光干涉，将会沿光轴方向产生空间衍射不变光场，合理调整几个对称光斑的相位，衍射不变光场可以是涡旋光束阵列。
获得涡旋光束阵列后，让空间频谱中心光斑(直流分量)通过滤波器，经第二傅里叶透镜后，将转换为一束沿光轴方向传输的平行光束，此光束将和涡旋光束阵列干涉，由于此平行光束和涡旋光束阵列具有不同的轴向波矢，随着传输距离z的变化，干涉光场的图样也将会发生变化，具体表现为在空间中形成强度分布具有螺旋型结构的光场。为了获得对比度最好的空间螺旋型光束，应当使直流分量所对应的平行光束和涡旋光束阵列具有相同的最大复振幅，这个可以通过改变二元相位板的相位调制量来实现。
本发明的有益效果如下：
利用本发明公开的利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置及方法可以比较容易的获得具有空间螺旋强度分布的螺旋光束阵列，相比于以往的方法具有能量利用率高、空间衍射不变传输、易于实现的优良特性，在材料的加工、粒子的分流等领域有一定的应用空间。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明所公开的实施例中的光路图；
图2(a1)为本发明实施例1中用来产生六角密排空间螺旋光束的二元相位板；
图2(a2)为本发明实施例2中用来产生正方阵列空间螺旋光束的二元相位板；
图2(b1)为本发明实施例1对应经过图2(a1)中所示二元相位板的光场的空间频谱分布；
图2(b2)为本发明实施例2对应经过图2(a2)中所示二元相位板的光场的空间频谱分布；
图3(a)为本发明实施例1中允许光斑通过的滤波器；
图3(b)为本发明实施例2中允许光斑通过的滤波器；
图4(a)为实施例1用来产生六角密排阵列涡旋光束的对称点源的相位分布情况；
图4(b)为实施例2用来产生正方阵列涡旋光束的对称点源的相位分布情况；
图5(a1)(b1)为利用图4(a)所示六个点源所产生的具有六角密排阵列涡旋光束的归一化光强分布和相位分布情况；
图5(a2)(b2)为利用图4(b)所示八个点源所产生的正方阵列涡旋光束的归一化光强分布和相位分布情况；
图6为实施例1中六角密排结构的螺旋光束阵列在不同位置处的光强分布情况；
图7为实施例2中正方阵列结构的螺旋光束阵列在不同位置处的光强分布情况。
图中：1为激光光源，2为扩束准直镜，3为二元相位板，4为第一傅里叶透镜，5为滤波器，6为第二傅里叶透镜，7为CCD。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
名词解释：本发明中所述的大口径平行光束是指口径大于1厘米的光束。
正如背景技术所介绍的，发明人发现以往基于多光束干涉产生阵列涡旋光束主要是通过液晶空间光调制器来实现的，在很大程度上降低了系统的能量利用效率，严重限制了阵列螺旋光束在实际生产生活中的应用，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置及方法。
实施例1
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明的光路图如图1所示。图1中，激光光源1、扩束准直镜2、二元相位板3、第一傅里叶透镜4、滤波器5、第二傅里叶透镜6。
激光光源1采用现有的激光光源；
扩束准直镜2，设置在光源发出光的方向，用于将来自光源的光转换为大口径平行光束；
二元相位板3，设置在扩束准直镜的后端，用于对大口径平行光束的光场的波前进行调制；本发明中的二元相位板的具体结构如图2(a)所示。
第一傅里叶透镜4，设置在二元相位板的后端，在其后焦面处为经过二元相位板后光场的频谱；
滤波器5，其放置在光场的频谱面处，允许中央光斑及中央位置处的对称光斑通过的同时，对通过的对称光斑进行相位调制；
第二傅里叶透镜6，设置在滤波器的后端，将相位调制后的对称光斑转换为对称的具有相同轴向波矢的平行光束，平行光束干涉，将产生阵列涡旋光束。中央光斑经第二傅里叶透镜6后将转换为沿光轴方向的平行光束，此平行光束与阵列涡旋光束干涉将产生空间螺旋光束阵列。
进一步的，本实施例基于上述装置还包括电荷藕合器件图像传感器CCD 7，所述的CCD7设置于第二傅里叶透镜后端，用于记录阵列螺旋光束的强度分布。
本实施例中的二元相位板采用灰度曝光、离子束刻蚀、平板印刷等制作工艺，在片基上刻蚀有多个等边三角形结构，所有的等边三角结构分为两种，其中一种等边三角形结构的灰度大于另外一种等边三角形结构的灰度；这两种等边三角形结构在水平方向及和水平方向夹角为±60°方向的三个方向上交替分布，最后形成周期阵列分布。
具体的方法是：
激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束。大口径光束经过周期型二元相位板后光场的波前受到了调制，经过第一傅里叶透镜后，在第一傅里叶透镜的后焦面处获得光场的频谱，在频谱面处放置一滤波器，在允许紧靠中心光斑的几个对称光斑通过的同时，并对几个对称光斑进行相位调制，这几个经过相位调制的对称光斑经过第二傅里叶透镜后，将转换为几束对称的具有相同轴向波矢的平行光束，这几束光干涉，将会产生空间衍射不变光场，合理调整几个对称光斑的相位，衍射不变光场可以是涡旋光束阵列。
获得涡旋光束阵列后，让空间频谱中心光斑(直流分量)通过滤波器，经第二傅里叶透镜后，将转换为一束沿光轴方向传输的平行光束，此光束将和涡旋光束阵列干涉，由于此平行光束和涡旋光束阵列具有不同的轴向波矢，随着传输距离z的变化，干涉光场的图样也将会发生变化，具体表现为在空间中形成强度分布具有螺旋型结构的光场。为了获得对比度最好的空间螺旋型光束，应当使直流分量所对应的平行光束和涡旋光束阵列具有相同的最大复振幅，这个可以通过改变二元相位板的相位调制量来实现。
图2为所采用的二元相位板的相位调制特性及其空间频谱。图2(a1)用来产生六角密排的二元相位板，当两种不同灰度的格子对光场的相位调制量相差为π(半个波长)时，经分析可知其所对应的空间频谱不存在中心亮斑，对应光场的直流分量。人为调整两种不同灰度格子对光场的相位调制量，就可以获得光场直流分量，并相应控制直流分量的大小。图2(a1)中，两种不同灰度的格子对光场的相位调制量相差为0.4π，图2(b1)对应经过图2(a1)所示二元相位板的光场的空间频谱分布。显然，由于两种不同灰度的格子对光场的相位调制量相差不等于π，空间频谱存在着非常明显的中心亮斑(直流分量)，此外，紧邻中心亮斑外围存在着几个具有相同亮度的对称亮斑，再往外还有更加微弱的对称亮斑。
图3为相应的滤波器。图3(a)中的滤波器可以允许图2(b1)所示频谱的中心亮斑和周围对称的六个亮斑通过，并对六个亮斑的相位进行调制；
图4为用来产生涡旋光束阵列的对称点源的相位分布情况。图4(a)中所示的六个点源，相位改变量沿逆时针依次增加π/3。
图5为利用图4所示点源产生的涡旋阵列的强度分布和相位分布情况。图5(a1)(b1)为利用图4(a)所示六个点源所产生的具有六角密排阵列涡旋光束的归一化光强分布和相位分布情况，涡旋光束单元的相位增大的方向为逆时针，涡旋光束的拓扑荷为-1；
图6为让中心的直流分量通过后，和涡旋光束阵列干涉后的光场在不同位置处的光强分布情况。为了使图6中的强度分布图像具有最好的对比度，经过分析可求得，图2(a1)中的二元相位板的两种不同灰度的格子对光场的相位调制量应大概相差为0.46π。
图6为具有六角密排结构的螺旋光束阵列在不同位置处的光强分布情况。图6(a)为CCD在光轴某一位置所对应光场的光强分布情况。图6(b)为CCD沿光轴后移Δ1所对应光场的光强分布情况，其中，Δ1为一微小距离。图6(c)是CCD沿光轴后移2Δ1所对应光场的光强分布情况。图6(d)是CCD沿光轴后移3Δ1所对应光场的光强分布情况。由图6中的多幅图像可以看出，沿光轴后移，光场中最小单元的强度分布绕光轴方向做逆时针旋转，表明采用这种方法有效获得了具有空间螺旋强度分布的六角密排螺旋光束阵列。改变图4(a)中的点源的相位分布情况，使得六个点源的相位改变量沿顺时针依次增加π/3，所获得的六角密排螺旋光束阵列的最小单元的强度分布随光轴后移时将绕光轴方向做顺时针旋转。
实施例2
本实施例的光路与实施例1相同，区别在于本实施例采用的二元相位板用来产生正方阵列，具体区别如下：
本实施例中的二元相位板在片基上刻蚀产生多个方格结构，所有的方格结构分为两种，一种方格结构内部分成四个等腰直角三角形，上下两个三角形的灰度大于左右两个三角形的灰度；另一种方格结构内部也分成四个等腰直角三角形，上下两个三角形的灰度小于左右两个三角形的灰度；这两种方格结构在竖直和水平方向上交替分布，最后形成矩形阵列。
图2(a2)为用来产生正方阵列的二元相位板，当两种不同灰度的格子对光场的相位调制量相差为π(半个波长)时，经分析可知其所对应的空间频谱不存在中心亮斑，对应光场的直流分量。人为调整两种不同灰度格子对光场的相位调制量，就可以获得光场直流分量，并相应控制直流分量的大小。图2(a2)中，两种不同灰度的格子对光场的相位调制量相差为0.5π。图2(b2)对应经过图2(a2)中所示二元相位板的光场的空间频谱分布。显然，由于两种不同灰度的格子对光场的相位调制量相差不等于π，空间频谱存在着非常明显的中心亮斑(直流分量)，此外，紧邻中心亮斑外围存在着几个具有相同亮度的对称亮斑，再往外还有更加微弱的对称亮斑。
图3(b)中的滤波器可以允许图2(b2)所示频谱的中心亮斑和周围对称的八个亮斑通过，并对八个亮斑的相位进行调制。
图4(b)中所示的八个点源，按照其相应的几何位置，被分为两组，每组四个点源，占据图中所画长方形的四个顶点(长方形的长宽比恰好为2:1)，四个点源中的相邻点源相位差恰好为π，两组点源之间的相位相差为π/2。
图5(a2)(b2)为利用图4(b)所示八个点源所产生的正方阵列涡旋光束的归一化光强分布和相位分布情况，由图5(b2)可以看出，所产生的正方阵列涡旋光束最小单元为2×2格子，最小单元内的涡旋的相位增大的方向有两种，顺时针和逆时针，相应涡旋的拓扑荷为+1和-1。
图7为让中心的直流分量通过后，和涡旋光束阵列干涉后的光场在不同位置处的光强分布情况。为了使图7中的强度分布图像具有最好的对比度，经过分析可求得，图2(a2)中的二元相位板的两种不同灰度的格子对光场的相位调制量大概相差为0.45π。
图7为正方阵列螺旋光束在不同位置处的光强分布情况。图7(a)为CCD在光轴某一位置所对应光场的光强分布情况。图7(b)为CCD沿光轴后移Δ2所对应光场的光强分布情况，其中，Δ2为一微小距离。图7(c)是CCD沿光轴后移2Δ2所对应光场的光强分布情况。图7(d)是CCD沿光轴后移3Δ2所对应光场的光强分布情况。由图7中的多幅图像可以看出，沿光轴后移，光场中的部分单元的强度分布绕光轴方向做逆时针旋转，部分单元的强度分布绕光轴方向做顺时针旋转，表明采用这种方法有效获得了具有两种相反螺旋状态的正方阵列空间螺旋光束，和图5(b2)中所示正方阵列涡旋具有两种相反拓扑荷的结果相吻合。
本实施例公开的利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置及方法可以广泛的应用于材料加工、微粒操控、粒子分流等领域，有着重要的应用价值。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
本发明中所用到的方法同样适用于利用电子束、声波等产生阵列的电子螺旋束、声波螺旋束等。

Claims (7)

1.一种利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置，其特征在于，包括：
激光光源；
扩束准直镜，设置在光源发出光的方向，用于将来自光源的光转换为大口径平行光束；
二元相位板，设置在扩束准直镜的后端，用于对大口径平行光束的光场的波前进行调制；二元相位板上设有相位调制单元；二元相位板采用灰度曝光、离子束刻蚀、平板印刷工艺，在片基上刻蚀有多个方格结构；
方格结构分为两种，一种方格结构内部分成四个等腰直角三角形，上下两个三角形的灰度大于左右两个三角形的灰度；另一种方格结构内部也分成四个等腰直角三角形，上下两个三角形的灰度小于左右两个三角形的灰度；二元相位板的两种不同灰度的格子对光场的相位调制量相差为0.45π；
第一傅里叶透镜，设置在二元相位板的后端，在其后焦面处为经过二元相位板后光场的频谱；
滤波器，其放置在光场的频谱面处，允许中心光斑通过，在允许紧靠中心光斑的几个对称光斑通过的同时，并对几个对称光斑进行相位调制；第二傅里叶透镜，设置在滤波器的后端，将相位调制后的对称光斑转换为对称的具有相同轴向波矢的平行光束，平行光束干涉，产生阵列涡旋光束；同时，让空间频谱中心光斑将转换为一束沿光轴方向传输的平行光束，此光束将和涡旋光束阵列干涉，产生空间螺旋型光束阵列。
2.如权利要求1所述的利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置，其特征在于，还包括CCD，所述的CCD设置于第二傅里叶透镜后端，用于记录阵列螺旋光束的强度分布。
3.如权利要求1所述的利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置，其特征在于，所述的二元相位板的片基上刻蚀有多个方格结构；这两种方格结构在竖直和水平方向上交替分布，最后形成矩形阵列。
4.如权利要求1所述的利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置，其特征在于，应用于信息传输装置中，用于信息传输。
5.如权利要求1所述的利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置，其特征在于，应用于材料加工装置中，用于材料的加工。
6.如权利要求1所述的利用周期型二元相位板产生空间螺旋光束阵列的装置，其特征在于，应用于粒子分流装置中，对粒子进行分流。
7.一种利用权利要求1-6任一所述的装置产生空间螺旋光束阵列的方法，其特征在于，包括：
激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束；大口径光束经过周期型二元相位板后光场的波前受到了调制，经过第一傅里叶透镜后，在第一傅里叶透镜的后焦面处获得光场的频谱，在频谱面处放置一滤波器，在允许紧靠中心光斑的几个对称光斑通过的同时，并对几个对称光斑进行相位调制，这几个经过相位调制的对称光斑经过第二傅里叶透镜后，将转换为几束对称的具有相同轴向波矢的平行光束，这几束光干涉，将会沿光轴方向产生空间衍射不变光场，合理调整几个对称光斑的相位，衍射不变光场可以是涡旋光束阵列；
获得涡旋光束阵列后，让空间频谱中心光斑通过滤波器，经第二傅里叶透镜后，将转换为一束沿光轴方向传输的平行光束，此光束将和涡旋光束阵列干涉，此平行光束和涡旋光束阵列具有不同的轴向波矢，随着传输距离z的变化，在空间中形成强度分布具有螺旋型结构的阵列光场。
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