CN111338091A - 一种基于高阶交叉相位的涡旋光整形和多奇点操控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于高阶交叉相位的涡旋光整形和多奇点操控方法。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，3阶及以上称为高阶交叉相位。首先利用多参量联合调控技术制备携带涡旋光信息与高阶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，出射光为携带高阶交叉相位的涡旋光，传播一段距离后即可得到所需形状和奇点分布的涡旋光。本方法光路简洁，灵活性强，属于涡旋光操控领域，可应用于复杂涡旋光的整形和多奇点操控。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于高阶交叉相位的涡旋光整形和多奇点操控方法。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，3阶及以上称为高阶交叉相位。首先利用多参量联合调控技术制备携带涡旋光信息与高阶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，出射光为携带高阶交叉相位的涡旋光，传播一段距离后得到所需形状与奇点分布的涡旋光。本方法光路简洁，灵活性强，属于涡旋光操控领域，可应用于复杂涡旋光的整形和多奇点操控。
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；每个光子携带
的轨道角动量，
为普朗克常数，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。目前，涡旋光在光学微操控、高维量子态、利用旋转多普勒效应对物体的角速度进行遥感等领域的应用非常广泛。
涡旋光的整形与多奇点操控对于拓展涡旋光的应用具有重要意义。在实验室环境下，使用空间光调制器实现涡旋光的整形与多奇点操控具有诸多优点，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，将高阶交叉相位加载到空间光调制器即可实现涡旋光的整形与多奇点操控。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对目前涡旋光整形和多奇点操控较为困难，提出了一种基于高阶交叉相位的涡旋光整形和多奇点操控方法，该方法光路简洁，灵活性强，可根据实验室需求运用高阶交叉相位灵活制备不同形状和不同奇点分布的涡旋光。
本发明的技术解决方案是：
本发明涉及一种基于高阶交叉相位的涡旋光整形和多奇点操控方法，其主要包括以下步骤：
(1)利用多参量联合调控技术将涡旋光的全息图与高阶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。
(2)激光器发出的圆偏振高斯光经过偏振器转换为线偏振高斯光，经过光束准直系统调整后照射到空间光调制器上进行复振幅调制，出射光即为携带高阶交叉相位的涡旋光，传播一段距离后演化为所需形状和奇点分布的涡旋光，实现涡旋光的整形和多奇点操控，如图1所示。
本发明的原理是：
拉盖尔高斯光束是一种典型的涡旋光，是柱坐标系下近轴波动方程的一组解，通过施加高阶交叉相位，可以在传播一定距离的条件下实现涡旋光的整形和奇点操控。
首先利用多参量联合调控技术获得低阶(2阶)交叉相位和高阶交叉相位(3阶和4阶)的相位分布图，如图2(a)所示。其次，获得拓扑荷数l＝5的涡旋光全息图，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2(b)所示。
交叉相位是一种新的相位结构，被用来实现拉盖尔高斯光与厄密特高斯光之间的相互转换，为涡旋光的制备和模式检测提供了一种全新的方法，其在笛卡尔坐标系下的表达式为：:
其中，ψ0表示交叉相位，(x，y)表示笛卡尔坐标，x为横坐标，y为纵坐标，u为控制光束转换效率的强度因子，方位角
表示光束在某一平面内旋转角度的方位因子。当
时，(1)式可以简化为：
ψ0(x，y)＝uxy (2)
高阶交叉相位是指3阶及以上的交叉相位，可实现涡旋光的多边整形和多奇点操控，可将高阶交叉相位表示为：
ψ0(x，y)＝uxpyq (3)
其中，p和q是正整数指数，二者之和表示高阶交叉相位的阶数，为3阶及以上，如3阶、4阶、5阶。
涡旋光的形状可通过调整高阶交叉相位的阶数进行调控；奇点分布可由强度因子u控制，同时不会像低阶交叉相位将拉盖尔高斯光转换为厄密特高斯光。携带高阶相位的涡旋光是一种非固有模态，可被看做是一种新的光场。
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：
其中，E表示线偏振高斯光波函数，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，其光强分布如图3所示。
当光束传播距离z0＝0时，携带高阶交叉相位的涡旋光表达式为：
其中，U1表示携带高阶交叉相位的涡旋光波函数，l为拓扑荷数，p为径向节数，ω0为涡旋光束的初始半径，r0为距光轴中心的距离，φ0为涡旋光束的初始相位，ψ为高阶交叉相位，(x0，y0)为初始笛卡尔坐标。
根据菲涅尔衍射原理，当光束传播一定距离z后，涡旋光束表达式为：
其中E1为传播一段距离后的涡旋光波函数，k为角波数，λ为光的波长，
为傅里叶变换。如拓扑荷数为3的涡旋光携带3阶交叉相位，其相位分布如图4(a)所示。随着传播距离的增加，其相位分布逐渐演化为拓扑荷数为3的涡旋光的相位分布，如图4(b)所示。同时其轨道角动量分布如图4(c)所示，纯度如图4(d)所示。
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涡旋光的制备光路实现涡旋光的整形和多奇点操控。
(2)灵活性强，可以根据实验室情况，灵活调节高阶交叉相位的阶数与强度因子制备不同形状和不同奇点分布的涡旋光。
(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为涡旋光整形和多奇点操控流程图；
图2为携带低阶和高阶交叉相位的涡旋光全息图；
图3为线偏振高斯光强分布图；
图4为不同传播距离下携带3阶交叉相位的涡旋光演化结果图；
图5为涡旋光整形和多奇点操控方案示意图；
图6为涡旋光整形实验结果图；
图7为涡旋光多奇点操控实验结果图；
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)涡旋光整形方案
利用多参量联合调控技术将涡旋光的全息图与目标阶数的高阶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(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涡旋光，经过透镜(7)、光阑(8)、透镜(9)组成的滤波系统后入射到CCD相机(10)，即实现涡旋光的整形，如图5所示。
例如用拓扑荷数为3的涡旋光全息图分别与3阶、4阶、5阶、6阶交叉相位相乘，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)；再用(4)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观察涡旋光的形状，分别为3边、4边、5边、6边形，即实现涡旋光的整形，如图6所示，图6(a)为全息图样，图6(b)为光强分布图，图6(c)为轨道角动量分布图。
(2)涡旋光多奇点操控方案
利用多参量联合调控技术将涡旋光的全息图与目标强度因子的高阶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(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涡旋光，经过透镜(7)、光阑(8)、透镜(9)组成的滤波系统后入射到CCD相机(10)，即实现涡旋光的整形，其光路与涡旋光整形方案相同，如图5所示。
例如拓扑荷数为3的涡旋光全息图分别与强度因子u＝0、u＝1×108、u＝2×108、u＝3×108、u＝4×108的3阶交叉相位相乘，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)；再用(4)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观察涡旋光的形状与奇点分布，可见随着强度因子的增大，涡旋光由圆形逐渐演化为三角形，且奇点距离中心的距离逐渐增大，即实现涡旋光的多奇点操控，如图7所示，图7(a)为全息图样，图7(b)为仿真结果的光强分布图，图7(c)为仿真结果的轨道角动量分布图，图7(d)为实验结果的光强分布图。
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 (2)
1.一种基于高阶交叉相位的涡旋光整形和多奇点操控方法，其特征在于：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，3阶及以上称为高阶交叉相位，高阶交叉相位可以在传播一段距离的条件下实现涡旋光的整形和多奇点操控；利用多参量联合调控技术制备携带涡旋光信息与高阶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，出射光为携带高阶交叉相位的涡旋光，传播一段距离后得到所需形状与奇点分布的涡旋光，即实现涡旋光的整形和多奇点操控。
2.根据权利要求1所述的基于高阶交叉相位的涡旋光整形和多奇点操控方法，其特征在于：利用高阶交叉相位实现涡旋光的整形和多奇点操控，将涡旋光的形状调整为多边形，其边数等于高阶交叉相位的阶数，涡旋光裂解后的奇点数等于涡旋光的拓扑荷数，奇点分布由相位因子进行调控。
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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 |
Application publication date: 20200626 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |