CN110579882A - 利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置及方法，包括：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，在其后焦面处将平行光束转化成光场的频谱；滤波器，其放置在光场的频谱面处，允许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，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，且该平行光束干涉，产生正方阵列涡旋光束。

Description

利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置及方法

技术领域

本发明公开了一种利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的方法与装置。

背景技术

涡旋光束由于其具有特定的轨道角动量，且具有特殊的暗中空结构和螺旋相位分布，在光通信、微粒操控等领域有重要的应用价值，而涡旋光束阵列是按照某种规律排列的大量涡旋光束集合，其所具有的特殊的光强分布及力学特性在材料加工、微粒操控、粒子分流等领域有着重要的应用价值。

目前，可以常见的产生阵列涡旋光束的方法主要有：螺旋相位滤波法、分数泰伯效应法、多光束干涉法。其中螺旋相位滤波法采用了比较典型的4f光路，在系统的空间频谱面处放置螺旋相位板作为滤波器，这种方法的优势在于可以获得具有任意形状、任意排列的阵列涡旋光束，但是系统的能量利用率低，且偏离系统的输出面后，阵列涡旋光束的强度迅速弥散；分数泰伯效应法是基于分数泰伯效应提出来的一种有效产生阵列涡旋光束的方法，让光经过一设计好的复杂的周期型纯相位衍射光学元件，在元件后方某一位置处，可以获得周期阵列的涡旋光束，优点在于系统的能量利用率非常高，但只在特定的位置才能产生周期阵列的涡旋光束，偏离对应的位置后，阵列涡旋光束的强度也会迅速弥散；由于复杂的周期型纯相位衍射光学元件加工不便，为了方便，一般用空间光调制器来实现，将会导致系统的能量利用率严重下降，且空间光调制器的像素尺寸较大也会影响涡旋光束的质量；而采用多光束干涉法所产生的阵列涡旋光束具有非常好的衍射不变特性，使得阵列涡旋光束的实际应用前景更加广阔。

而发明人发现以往基于多光束干涉产生正方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，严重限制了阵列涡旋光束在实际生产生活中的应用。

发明内容

基于以上所存在的各种问题，本发明提出一种简单直观的光路，采用在四个方向上(水平方向、竖直方向、和水平方向竖直方向具有45°夹角方向)具有一定周期分布的二元相位板，产生衍射不变的正方阵列涡旋光束，理想情况下，这种方法的能量利用率可以超过50％，相比于采用空间光调制器的方法具有更高的能量利用率，这一方法的提出使得正方阵列涡旋光束有望更加广泛的应用到实际的生产生活中。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提出的一种利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，包括

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，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，将产生正方阵列涡旋光束。

作为进一步的，所述的光源采用激光光源。

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。

本发明公开的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，应用于信息传输装置中，用于信息传输。

本发明公开的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，应用于材料加工装置中，用于材料的加工。

本发明公开的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，应用于微粒操控装置中，可以实现微米级粒子的定向光学输运。

本发明公开的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，应用于粒子分流装置中，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正方阵列涡旋光束的方法，包括：

激光光源产生的激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束；大口径平行光束经过二元相位板后光场的波前受到了调制，然后调制后的光场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，滤波器在允许中央位置处的对称光斑通过的同时，并对对称光斑进行相位调制，经过相位调制的对称光斑经过第二傅里叶透镜后，将转换为对称的具有相同轴向波矢的平行光束，平行光束发生干涉，将会产生空间衍射不变光场，然后通过滤波器合理调制对称光斑的相位，得到正方阵列涡旋光束。

本发明的有益效果如下：

利用本发明公开的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置及方法可以比较容易的获得具有空间衍射不变特性的正方阵列涡旋光束，相比于以往的方法具有能量利用率高、空间衍射不变传输的优良特性，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(a)为用来产生正方阵列涡旋的二元相位板；

图2(b)对应经过图2(a)的光场的空间频谱分布；

图3为选择中央对称的八个亮斑的滤波器的示意图；

图4(a)、图4(b)为两组可以用来产生正方阵列涡旋光束的八个对称点源所对应的相位分布；

图5(a)、图5(b)分别为图4(a)所示的八个对称点源经过第二傅里叶透镜后所产生的多光束干涉图像的归一化光强分布和相位分布情况；

图5(c)、图5(d)分别为最小单元的光场的的归一化光强分布和相位分布情况；

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。本发明中的二元相位板是指基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用灰度曝光、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。

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正方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，严重限制了阵列涡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二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置及方法。

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，将产生正方阵列涡旋光束。

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放置在第二傅里叶透镜后端，用于记录具有正方阵列涡旋光束结构的阵列光场的强度分布。

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，在允许中央位置处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正方阵列涡旋光束。

其中，在本实施例的图2(a)图2(b)为所采用的二元相位板的相位调制特性及其空间频谱；其中具体的，图2(a)为用来产生正方阵列涡旋的二元相位板，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，其所对应的频谱不存在中心亮斑(对应光场的直流分量)。

图2(b)对应经过图2(a)的光场的空间频谱分布。由图2(b)中的空间频谱分布图可以看出，中央区域存在着八个具有相同亮度的对称亮斑，再往外还有一些稍微暗一些的次级亮斑，越往外，相应的亮斑强度越弱。通过图3中的滤波器选择中央对称的八个亮斑，并加工一相位调制元件对八个光斑的相位进行调制以获得所需要的相位值。

图4(a)(b)为两组可以用来产生正方阵列涡旋光束的八个对称点源所对应的相位分布，可以通过相位调制元件使八个对称点源具有相应的相位值。

这里采用图4(a)中所示的第一种情况。图5(a)(b)分别为图4(a)所示的八个对称点源经过第二傅里叶透镜后所产生的多光束干涉图像的归一化光强分布和相位分布情况。由图5(b)可以看出，基于多光束干涉产生了正方阵列涡旋光束，且图中所示的正方阵列涡旋光束的最小单元为2×2格子。

图5(c)(d)分别为最小单元的光场的归一化光强分布和相位分布情况。由图5(d)中的相位分布可以看出，上方和下方的两个涡旋的相位增大的方向为顺时针，涡旋的拓扑荷为+1，左侧和右侧的两个涡旋的相位增大的方向相反，为逆时针，涡旋的拓扑荷为-1。结果表明，采用这种方法所获得的正方阵列涡旋光束具有两种相反的拓扑荷。

本实施例公开的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束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、声波等产生具有正方阵列的电子涡旋、声波涡旋等。

Claims (9)

1.一种利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，其特征在于，包括：

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，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，将产生正方阵列涡旋光束。

2.如权利要求1所述的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，其特征在于，所述的光源采用激光光源。

3.如权利要求1所述的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，其特征在于，还包括CCD，所述的CCD设置第二傅里叶透镜后端，用于记录具有正方阵列涡旋光束结构的阵列光场的强度分布。

4.如权利要求1所述的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，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，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。

5.如权利要求1所述的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，其特征在于，应用于信息传输装置中，用于信息传输。

6.如权利要求1所述的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，其特征在于，应用于材料加工装置中，用于材料的加工。

7.如权利要求1所述的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，其特征在于，应用于微粒操控装置中，可以实现对微米级粒子的定向光学输运。

8.如权利要求1所述的利用二元相位板高效产生正方阵列涡旋光束的装置，其特征在于，应用于粒子分流装置中，对粒子进行分流。

9.一种利用权利要求1-4任一所述的装置产生正方阵列涡旋光束的方法，其特征在于，包括：

激光光源产生的激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束；大口径平行光束经过二元相位板后光场的波前受到了调制，然后调制后的光场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，在频谱面处放置一个滤波器，滤波器在允许中央位置处的对称光斑通过的同时，并对对称光斑进行相位调制，经过相位调制的对称光斑经过第二傅里叶透镜后，将转换为对称的具有相同轴向波矢的平行光束，平行光束发生干涉，将会产生空间衍射不变光场，然后滤波器合理调制对称光斑的相位，得到正方阵列涡旋光束。