CN111323925A - 一种产生可控会聚涡旋光束的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种产生可控会聚涡旋光束的光学系统，主要器件包括激光器、光束整形系统、空间光调制器以及CCD相机。该系统中用相位灰度调制图等效代替了螺旋相位片、透镜和光阑，可以产生会聚的涡旋光束，还能通过修改相位灰度图的参数，调整光束的焦距及焦平面处环形光斑的半径大小。

Description

一种产生可控会聚涡旋光束的光学系统
技术领域
本发明涉及一种产生可控会聚涡旋光束的光学系统，属于涡旋光技术领域。
背景技术
涡旋光是一种具有螺旋波前的光束，与普通光子相比涡旋光子携带有轨道角动量，因此涡旋光在光通信、天文观测、微观成像和微粒操纵等方面有重要应用价值。
在许多应用场景如微粒操控，涡旋光耦合到光纤等，都需要将涡旋光束会聚起来，传统方法都是先利用涡旋相位片产生涡旋光束然后利用透镜进行会聚，这样的设计会产生一些弊端。
首先如果不更换实物螺旋相位片，产生的涡旋光拓扑荷数是不能改变，本发明中等效螺旋相位片的相位变化周期可以通过电脑端设置，在不改变器件的情况下就可实现改变涡旋光拓扑荷数的目的。
其次实验装置相对复杂，实物透镜的焦距都是固定的，如果想要将涡旋光光束聚到不同距离上，只能更换透镜或者调整透镜的位置，更换透镜的问题在于成本较高，调整范围有限；而调整透镜位置对精度要求高，因此操作难度比较大，本发明中只要修改电脑端参数，就能变换等效透镜的焦距，从而改变涡旋光束的聚焦位置，操作过程中不需要更换器件。
此外，传统实验中，当拓扑荷数和焦距固定时，会聚涡旋光在焦平面处光斑的大小是不变的，而本发明中综合了等效光阑，在拓扑荷数和焦距固定时，通过改变等效光阑的半径就能调节会聚涡旋光在焦平面处光斑的大小。
发明内容
本发明为了解决如何采用较为简单的系统和方法产生可控会聚涡旋光束的问题，提出一种可以产生可控会聚涡旋光束的光学系统。
本发明采用的技术方案为
一种产生可控涡旋光束的光学系统，其特征是，如图1所示，该系统中激光器01、针孔02、准直透镜03、偏振片04、分光棱镜05和反射式相位型空间光调制器06(以下简称空间光调制器)依次同轴设置，CCD相机07和分光棱镜同轴且与入射光轴垂直，电脑控制端08与空间光调制器相连接。
激光器出射的光束经过针孔的滤波后，变为球面波，再经准直透镜准直变成准直光束。
准直光束在穿过偏振片后变为线偏振光。
准直线偏振光透射穿过分光棱镜后正入射到空间光调制器的工作面上，通过电脑端加载的相位调制灰度图所调制，调制后产生的光即为会聚涡旋光束。
产生的会聚涡旋光束经过分光棱镜反射后，正入射到CCD相机镜头工作面，产生环形光斑图样。
空间光调制器只能对水平方向的线偏振光进行调制，因此偏振片极化方向也应该是水平方向。
会聚光束的焦距等于空间光调制器到分光棱镜轴心的距离与分光棱镜轴心到CCD相机镜头工作面的距离之和。
本发明有以下有益的技术特点：
便利性：整个光学系统搭建好后，所有的后续操作只需在电脑端控制空间光调制器就能完成，控制要素比较简单。
整合性：用单个特制的相位调制灰度图整体替代了透镜，螺旋相位片和光阑，系统的集成度较高。
可控性：通过修改相位调制灰度图的参数，就能实现调节会聚涡旋光束的焦距，焦点处的光斑大小，控制精度高。
通用性：本发明在光通信、微粒控制和微观成像方面都有重要的应用价值。针对不同波长的激光源都可以应用。
附图说明
图1：产生会聚涡旋光束的光学系统结构图。
图2：生成相位灰度调制图过程图。
图3：会聚涡旋光束在焦平面处的光强分布图。
图4：会聚光束沿光轴截面的光强分布图。
具体实施方案
产生并控制会聚涡旋光束的方法，其特征是，该方法包括以下步骤。
步骤一：在电脑端编程产生相位调制灰度图，并导入空间光调制器。
相位调制灰度图包括三个部分。
一是虚拟透镜部分，其相位分布如图2(a)所示，用其透射函数表示为：
Figure RE-GDA0002495488270000031
其中x，y表示空间光调制器工作面的笛卡尔坐标，工作面的水平轴线为 x轴，垂直轴线为y轴。f表示虚拟透镜的焦距，k表示波数。
二是涡旋相位部分，其相位分布如图2(b)所示，用其透射函数表示为：
Figure RE-GDA0002495488270000032
三是光阑部分，其相位分布如图2(c)所示，用其透射函数表示为：
Figure RE-GDA0002495488270000033
其中r0为光阑的半径。
将上诉三部分组合成一个相位调制灰度图,如图2(d)所示，通过电脑端导入空间光调制器。
步骤二：产生并整形准直激光。
由波长为532nm的激光器发射的激光，先通过针孔滤波，变为点光源并发射球面波，由焦点位于针孔处的透镜将球面波整形变为准直光束。
步骤三：将准直激光变为线偏振光。
调整偏振片的偏振方向使其偏振方向为水平，此时准直激光经过偏振片后变为水平线偏振光。
步骤四：对水平线偏振光进行相位调制。
水平线偏振光入射穿过分光棱镜后正入射到空间光调制器的工作面上，空间光调制器中加载的相位灰度调制图对入射光进行调制，产生会聚的涡旋光束。
步骤五：对会聚涡旋光进行成像接收。
会聚涡旋光光束在经过分光棱镜的反射之后，被位于焦平面处的CCD相机接收成像。图3(a)为会聚涡旋光束焦平面上的光强分布，其形状为圆环。图4(a)为图3(a)对应的沿光路的截面光强图，此时f＝10cm，光阑半径r0＝R0＝1cm 拓扑荷数l＝1，由图4(a)可以看出涡旋光束的焦距为10cm，符合设计。
步骤六：调节会聚涡旋光束的焦距。
修改f为20cm和30cm，光阑半径r0仍为R0，其他条件不变，分别得到对应的沿光路的截面光强图，如图由图4(b)和由图4(c)所示，从图中可得涡旋光束的焦距分别为20cm与30cm，验证了系统对涡旋光束焦距的控制。
步骤七：调节会聚涡旋光束焦平面处光斑的大小。
设定f＝10cm，光阑半径分别为0.7R0，0.4R0和0.3R0，其他条件不变，得到对应的焦平面处的光强分布分别为图3(a)(b)(c)，从图中可得当其他条件不变的情况下，在一定范围内减小光阑的半径，会聚涡旋光束焦平面处的环形光斑半径会变大。

Claims (4)

1.一种产生可控会聚涡旋光束的光学系统，其特征是利用空间光调制器加载的相位调制灰度图等效替代了螺旋相位片、透镜和光阑，对入射准直激光进行调制产生会聚涡旋光束；等效螺旋相位片用于产生不同拓扑荷数的涡旋光束，等效透镜用于对会聚光束的焦距进行调节，等效光阑实现在拓扑荷数及焦距不变的情况下改变会聚处横截面涡旋光斑的大小。
2.根据权利要求1所述的一种产生可控会聚涡旋光束的光学系统，其特征是空间光调制器加载的相位调制灰度图中等效螺旋相位片的部分对入射光进行调制后，可以使其变为涡旋光，产生的涡旋光的拓扑荷数由等效螺旋相位片的相位变化周期决定。
3.根据权利要求1所述的一种产生可控会聚涡旋光束的光学系统，其特征是相位调制灰度图中等效透镜部分对产生的涡旋光束进行会聚，焦距由等效透镜的焦距决定，会聚处的光轴截面为会聚光束的焦平面，会聚光束在焦平面处成的像为环形光斑。
4.根据权利要求1所述的一种产生可控会聚涡旋光束的光学系统，其特征是拓扑荷数和焦距不变的情况下，相位调制灰度图中等效光阑部分发生改变后，产生的会聚光束在会聚处的光斑大小也会发生变化，光阑孔径变小的时候，焦平面环形光斑半径会变大，反之亦然。
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