CN110954213A - 一种基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，交叉相位是一种特殊的光场相位结构。首先，利用多参量联合调控技术制备携带厄米特高斯光信息与交叉相位的全息图样并加载到空间光调制器，一束线偏振高斯光照射到空间光调制器，出射光传播一段距离后转化为拉盖尔高斯光，即实现大拓扑荷数涡旋光的制备；同理，当全息图样携带拉盖尔高斯光信息与交叉相位时，出射光传播一段距离后转化为厄米特高斯光，计算其模数即可检测涡旋光的拓扑荷数和径向节数。本方法光路简洁，灵活性强，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数涡旋光的制备与检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法，涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，交叉相位是一种特殊的光场相位结构，利用多参量联合调控技术制备携带高斯光信息与交叉相位的全息图，并运用空间光调制器可以实现大拓扑荷数涡旋光的制备与检测。本方法光路简洁，灵活性性强，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数涡旋光的制备与检测。
技术背景
涡旋光是一种具有螺旋波阵面和特殊光强分布的光场，拉盖尔高斯光就是一种典型的涡旋光。近年来因涡旋光在光学操控、光通信、光学微测量等领域中具有广泛应用价值而饱受关注。光场中的涡旋现象最初由 Boivin、Dow和Wolf于1967年在透镜组的焦平面附近发现。1973年， Bryngdahl首次开展了对制备涡旋光实验方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用连续激光成功制备了涡旋光。1990年Yu、Bazgenov V首次使用光栅法完成了涡旋光的制备。
涡旋光的相位中含有角相位因子exp(ilθ)，其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，θ为方位角，该角相位因子说明涡旋光在传播过程中，若绕光轴传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2πl；螺旋形相位的中心是一个相位奇点，该处的相位不确定，并且光场振幅为零，因此在光场中心处形成了中空暗核。
涡旋光制备方法的研究是开展涡旋光实验研究的基础。常用的涡旋光制备方法有模式转换法、计算全息法、空间光调制器法、Q板法和矩阵螺旋相位板法。
计算全息法由Bazhenov教授于1989年提出，2010年齐晓庆等人利用相位型衍射光栅产生能量按比例分布的多个螺旋光束。1999年，德国科学家Reicherter M设想通过空间光相位调制器制备涡旋光，2009年 Sciarrino、Fabio实现了这一方法的应用，2013年Ostrovsky等使用特别的相位掩模板，利用空间光相位调制器得到了“完美”涡旋光。2012年，通过螺旋相位镜，澳大利亚科学家Fickler R实现了拓扑荷数为5000的涡旋光制备。
模式转换法成本低廉，对光功率没有严苛限制，但是该方法对于光路搭建的精度有极高的要求；计算全息法理论上可以制备出大拓扑荷数涡旋光，但是该方法转化效率低，不能产生单一模式的涡旋光；矩阵螺旋相位板法光路简洁，转化效率高，但大拓扑荷数的螺旋相位板加工精度要求高，且一旦制成，只能产生单一拓扑荷数的涡旋光束；Q板结构简单，响应速度快，方便快捷，但是目前仅能制备拓扑荷数较小的涡旋光。
目前常用的涡旋光检测手段主要有三种：干涉法、衍射法和模式转换法。干涉法主要利用平面波、球面波或手性涡旋光与涡旋光进行干涉；衍射法使涡旋光透射具有特定形状的小孔或光栅形成特殊的衍射光斑；模式转换法利用两组柱透镜使涡旋光转换为厄米特高斯模式，具有较好的鲁棒性。然而，上述前两种方法由于干涉或衍射条纹的密集分布，不适用于大拓扑荷数涡旋光的检测，第三种方法实验装置虽然简单但需要较大的实验精度才可实现。
在实验室环境下，空间光调制器法可以弥补上述不足，空间光调制器体积小，使用便利，通过控制加载的全息图像分离衍射级次，可以提高涡旋光质量，将交叉相位加载到空间光调制器即可实现光场模式转换，但传统空间光调制器法不能使用交叉相位进行大拓扑荷数涡旋光的制备与检测。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对目前大拓扑荷数涡旋光的制备与检测较为困难，提出了一种基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法，该方法光路简洁，灵活性强，可根据实验室需求运用交叉相位灵活制备大拓扑荷数的涡旋光，并可实现涡旋光拓扑荷数与径向节数的检测。
本发明的技术解决方案是：
本发明涉及一种基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法，其主要包括以下步骤：
(1)利用多参量联合调控技术将厄米特高斯光的全息图与交叉相位相乘后叠加闪耀光栅，获得可以进行精确调控的全息图样，并加载到空间光调制器，一束线偏振高斯光束照射到空间光调制器进行复振幅调制，出射光传播一段距离后转化为拉盖尔高斯光，即实现大拓扑荷数涡旋光的制备，如图1所示。
(2)利用多参量联合调控技术将拉盖尔高斯光的全息图与交叉相位相乘后叠加闪耀光栅，获得可以进行精确调控的全息图样，并加载到空间光调制器，一束线偏振高斯光束照射到空间光调制器进行复振幅调制，出射光传播一段距离后转化为厄米特高斯光，通过计算其模数即可对涡旋光的拓扑荷数和径向节数进行检测，如图2所示。
本发明的原理是：
拉盖尔高斯光束是柱坐标系下近轴波动方程的一组解，而厄米特高斯光束是笛卡尔坐标系下的一组解，其中拉盖尔高斯光是一种典型的涡旋光，通过施加交叉相位，可以在传播一定距离的条件下实现两种光束间的相互转换，并且在传输中强度分布会发生径向相关的旋转，这意味着附加交叉相位的光场不再是方程的本征模式了。
以拉盖尔高斯光束为例，利用多参量联合调控技术获得拓扑荷数 l＝10，径向节数p＝5的涡旋光相位图，该全息图可通过纯相位空间光调制器对入射光实现相位和强度的调控；将该全息图与交叉相位相乘后，叠加闪耀光栅，使调制后光束与杂散光分离，获得可以进行精确调控的全息图样，如图3所示。
交叉相位在笛卡尔坐标系下的表达式为：
ψ＝u(xcosθ-ysinθ)(xsinθ+ycosθ) (1)
其中，ψ为交叉相位，u为控制光束转换效率的强度因子，θ为表征转换后光束旋转角度的方位因子，(x，y)为笛卡尔坐标。值得注意的是，当θ＝0时，公式(1)可被简化为ψ＝uxy。
假设有一束线偏振高斯光入射到空间光调制器，其入射前的表达式为：
光强分布如图4所示。
其中，E0为振幅，ω0为光腰半径，ω(z)为光强下降到
时的光束半径，r为距光轴中心的距离。
当光束传播距离z0＝0时，携带交叉相位的拉盖尔高斯光束、厄米特斯光束表达式分别为：
其中，l为拓扑荷数，p为径向节数，ω0为高斯光束的初始半径，r0为距光轴中心的距离，φ0为高斯光束的初始相位，ψ为交叉相位，(x0，y0)为初始笛卡尔坐标，H()为J阶厄米特高斯多项式，其中n和m为厄米特高斯光束模式数。
根据菲涅尔衍射原理，当光束传播一定距离z后的拉盖尔高斯光束、厄米特高斯光束表达式为
其中k为角波数，λ为光的波长，
为傅里叶变换。
当光场从拉盖尔高斯模式转化为厄米特高斯模式，其模数与涡旋光参数满足公式
l＝|n-m| (7)
p＝min(n,m)
本发明方案与现有方案相比，主要优点在于：
(1)光路简洁，对于光路的搭建没有其他要求；降低成本，使用本方法可以利用同一条光路实现涡旋光的制备和检测。
(2)灵活性强，可以根据实验室情况，制备不同拓扑荷数的涡旋光全息图，灵活实现大拓扑荷数涡旋光的制备。
(3)利用多参量联合调控技术生成的全息图可在纯相位空间光调制器中对相位和振幅同时进行调控，调控精度高。
图1为涡旋光制备流程图；
图2为涡旋光检测流程图；
图3为拓扑荷数为5时的涡旋光全息图绘制示意图；
图4为线偏振高斯光强分布图；
图5为大拓扑荷数涡旋光制备与检测方案示意图；
图6为大拓扑荷数涡旋光光强分布图；
图7为厄米特高斯光光强分布图；
图8为叠加态涡旋光束检测方案光强分布图；
具体实施方案
本发明的实施对象为空间光调制器，具体实施步骤如下：
(1)大拓扑荷数涡旋光制备方案
利用多参量联合调控技术将厄米特高斯光的全息图与交叉相位相乘后叠加闪耀光栅，获得可以进行精确调控的全息图样，并加载到空间光调制器(6)，通过激光发生器谐振腔(1)产生稳定的高斯光，依次透过线偏振片 (2)、中性密度滤波片(3)，再透过透镜(4)和透镜(5)组成的光束准直系统照射到空间光调制器(6)，进行复振幅调制后出射光为携带交叉相位的厄米特高斯光，经过透镜(7)、光阑(8)、透镜(9)组成的滤波系统后转化为拉盖尔高斯光，并入射到CCD相机(10)，即实现涡旋光的制备，如图5所示。
例如用(7)式描述的线偏振高斯光照射空间光调制器，出射光传播一段距离后转化为拉盖尔高斯光，即制备出大拓扑荷数的涡旋光，如图6所示， a1、b1、c1为模拟结果，a2、b2、c2为实验结果。其中a1、a2中l＝35，p＝5； b1、b2中l＝40，p＝10；c1、c2中l＝60，p＝20。
(2)大拓扑荷数涡旋光检测方案
利用多参量联合调控技术将拉盖尔高斯光的全息图与交叉相位相乘后叠加闪耀光栅，获得可以进行精确调控的全息图样，并加载到空间光调制器 (6)，通过激光发生器谐振腔(1)产生稳定的高斯光，依次透过线偏振片 (2)、中性密度滤波片(3)，再透过透镜(4)和透镜(5)组成的光束准直系统照射到空间光调制器(6)，进行复振幅调制后出射光为携带交叉相位的拉盖尔高斯光，拓扑荷数为l，径向节数为p，经过透镜(7)、光阑(8)、透镜(9)组成的滤波系统后转化为厄米特高斯光，并入射到CCD相机(10)，进行涡旋光的检验，其光路与涡旋光制备方案相同，如图5所示。
例如用(7)式描述的线偏振高斯光照射空间光调制器，出射光传播一段距离后转化为厄米特高斯光，如图7所示，a1、a2中n＝101，m＝1；b1、b2中n＝110， m＝10；c1、c2中n＝200，m＝0；a1、b1、c1为仿真结果，a2、b2、c2为实验结果。
根据公式(6)，可推得转化前的涡旋光参数分别为：l＝100，p＝1；l＝100， p＝10；l＝200，p＝0，即完成了涡旋光的检测。
(3)叠加态涡旋光检测方案
对于叠加态涡旋光，实验结果不失一般性，其光路与实施方案(2)中普 通涡旋光检测方案相同。为简便仅考虑p＝0而l≠0的情况，若令ψ1＝ψ2，则拉 盖尔高斯叠加态光束转化后的强度分布如图8所示，其中(a)和(b)分别由l＝20， l＝50的叠加态拉盖尔高斯光束转化而来。此时相互垂直的两束厄米特高斯光 束发生交叉干涉，无法判读叠加态光束的拓扑荷数。为了解决这一问题，我 们利用了交叉相位可以对光束在平面内进行旋转的性质：令ψ1中θ保持不变， 令ψ2中θ＝π/2，此时转化后的强度分布如图8(c)和图8(d)所示。两束厄米特 高斯光束同样发生了干涉，但由于方向相同，产生的干涉条纹没有影响厄米 特高斯光束中模式数m的判读。以图8(c)为例，根据图中标出的白色虚线， 可得到该厄米特高斯光束中模式数m＝20，则可推得原叠加态拉盖尔高斯光 束的拓扑荷数为20；同理，可以利用图8(d)得到原叠加态拉盖尔高斯光束的 拓扑荷数为50。
此外，空间光调制器对光束的入射角度与功率都有一定限制，所以具体光路设计还要根据实验室实际情况进行。
本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (3)
1.一种基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法，其特征在于：拉盖尔高斯光是一种典型的涡旋光，交叉相位可以在传播一段距离的条件下实现拉盖尔高斯光与厄米特高斯光的相互转换，利用多参量联合调控技术制备携带厄米特高斯光信息与交叉相位的全息图样，并加载到空间光调制器，一束线偏振高斯光束照射到空间光调制器进行复振幅调制，出射光为携带交叉相位的厄米特高斯光，传播一段距离后转化为拉盖尔高斯光，即实现大拓扑荷数涡旋光的制备。
2.根据权利要求1所述的基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法，其特征在于：利用多参量联合调控技术制备携带拉盖尔高斯光信息与交叉相位的全息图样，并加载到空间光调制器，一束线偏振高斯光束照射到空间光调制器进行复振幅调制，出射光为携带交叉相位的拉盖尔高斯光，传播一段距离后转化为厄米特高斯光，通过计算其模数对涡旋光的拓扑荷数和径向节数进行检测。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法，其特征在于：利用多参量联合调控技术生成全息图，该全息图在纯相位空间光调制器中可以对相位和振幅同时进行调控，提高了调控精度；将该相位乘以交叉相位后与闪耀光栅进行叠加，以备筛选出衍射1级，避免其余杂散光，进一步提高大拓扑荷数涡旋光的制备精度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200403 |