CN111381385A - 一种可连续调节涡旋光束旋转的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可连续调节涡旋光束旋转的装置，括激光器、4f光束准直系统（包含第一透镜、小孔、第二透镜）、格兰棱镜、四分之一波片和相位板；激光器发出的光束依次经过所述4f准直系统、格兰棱镜、四分之一波片和所述相位板；小孔移动设置于第一透镜和第二透镜之间；第一透镜和第二透镜的焦距均为f，第一透镜和第二透镜之间的间距为2f，物距为f。相位板产生离轴涡旋光束，CCD相机用于观察涡旋光束光斑的旋转。该装置结构简单、成本低，且操作便捷。还公开了一种可连续调节涡旋光束旋转的方法，通过调节4f系统中小孔的位置，能够调节涡旋光束旋转，且这种旋转连续可调。

Description

一种可连续调节涡旋光束旋转的装置及方法

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种可连续调节涡旋光束旋转的装置及方法。

背景技术

涡旋光自带的信息在外界因素(比如大气湍流)的影响下，具有很强的抗干扰特性，该特性使得涡旋光束可以应用于如自然空间光通信，微纳光操控和生物医学等多个领域。光束所携带的涡旋点如果不在光束中心位置，这一类涡旋光束被称为离轴涡旋光束。相对而言，离轴涡旋光束包含了更加丰富的动力学特性，比如在光束传输过程中，离轴涡旋点会绕着光轴旋转，而多个离轴涡旋点相互之间会存在吸引或者排斥力，这些特性在光通讯、量子计算等领域备受关注。调制涡旋光束的涡旋点、控制离轴涡旋光束的旋转以及研究其传输特性是非常有必要的。

在自由空间中，离轴涡旋点随光束传输有一定的运动规律，涡旋点会发生转动，其转动方向由拓扑荷数的符号决定，当光束发散度达到一定程度，这种旋转趋于饱和。涡旋光通常可以利用相位板或者空间光调制器产生，要实现涡旋光束旋转很难，比如可以通过机械控制的方式，直接旋转相位板，但是这种机械操作的精度有限，并且会引起不必要的震动；或者可以通过调整空间光调制器的编程来改变产生的涡旋光的形貌，但是这种方式需要电脑进行大量的计算来得到空间光调制器所需要的位相分布图，时间消耗大，不利于实时调制。

发明内容

本发明提供了一种涡旋光束旋转的调节装置，解决了涡旋光束旋转艰难、繁琐、易受干扰的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种可连续调节涡旋光束旋转的装置，包括激光器、4f光束准直系统、光束偏振调制系统和相位板；所述4f光束准直系统包括同一光路上依次设置的第一透镜、小孔和第二透镜；所述小孔移动设置于所述第一透镜和所述第二透镜之间；所述光束偏振调制系统包括同一光路上依次设置的格兰棱镜和四分之一波片；所述激光器发出的光束依次经过所述第一透镜、所述小孔、所述第二透镜、所述格兰棱镜、所述四分之一波片和所述相位板。

进一步地，还包括移动设置的CCD相机，所述CCD相机由电脑控制，所述CCD相机用于监测经过所述相位板的光束的光斑旋转变化。起到了便捷监控涡旋光束旋转情况的作用。

进一步地，所述第一透镜和所述第二透镜的焦距均为f，所述第一透镜和所述第二透镜之间的间距为2f，物距为f。

进一步地，所述相位板的中心位置高于或低于所述光束的中心位置。起到了产生离轴涡旋光束、通过涡旋点相对于中心位置的移动来判断涡旋光束旋转的作用。

进一步地，所述相位板的中心位置与所述光束的中心位置的偏移距离小于所述光束的半径值。

进一步地，所述4f光束准直系统用于产生高斯光束；所述光束偏振调制系统用于调制光束的偏振特性。

进一步地，所述相位板用于产生涡旋光束；所述涡旋光束为离轴涡旋光束。起到了涡旋光束旋转情况能够被更加清晰观察的作用。

一种可连续调节涡旋光束旋转的方法，包括以下步骤：

S1、调整光路：打开激光器使其发射光束，光束依次通过4f光束准直系统、偏振调制系统和相位板，观察CCD相机是否能看到一个偏离光束中心的涡旋点；

S2、若CCD相机中能看到一个偏离光束中心的涡旋点，则完成光路的调整，固定激光器、光束偏振调制系统、相位板和CCD相机的位置不动；

S3、完成所述步骤S2后，移动4f准直系统中的小孔位置，使相位板产生的涡旋光束发生连续旋转，并通过CCD相机观察涡旋光束光斑形貌变化。

进一步地，所述相位板的中心位置高于或低于光束的中心位置，相位板产生的涡旋光束为离轴涡旋光束。起到了清晰体现涡旋点相对于光束中心位置的移动、便捷判断涡旋光束旋转的作用。

本发明所达到的有益效果：本装置能够通过调整光束准直系统中小孔位置，来调制含离轴涡旋点的涡旋光束的整个横截面旋转程度。小孔的位置连续改变，涡旋点的位置也会连续改变，通过这种方法能够连续调整涡旋光束的旋转角度。装置光路结构简单、操作方法简单、容易扩展规模，不易受干扰，有一定的稳定性且易于操作实施。该装置及方法在自旋成像、微粒操控、激光微加工以及光通信领域中具有很大的应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明4f光束准直系统的示意图；

图3为本发明中当S’取值不同时，光斑显示图。

图中：1-激光器；2-第一透镜；3-小孔；4-第二透镜；5-格兰棱镜；6-四分之一波片；7-相位板；8-CCD相机；9-电脑；S’-第一透镜与小孔之间的距离。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种可连续调节涡旋光束旋转的装置，包括激光器1、4f光束准直系统、光束偏振调制系统、相位板7、由电脑9控制的CCD相机8。4f光束准直系统用于产生高斯光束；光束偏振调制系统用于调制光束的偏振特性。如图2所示，4f光束准直系统包括同一光路上依次设置的第一透镜2、小孔3和第二透镜4，小孔3移动设置于第一透镜2和第二透镜4之间。所述光束偏振调制系统包括同一光路上依次设置的格兰棱镜5和四分之一波片6。激光器1发出的光束依次经过第一透镜2、小孔3、第二透镜4、格兰棱镜5、四分之一波片6和相位板7。激光器1发出的光束通过四分之一波片6线偏光转变成圆偏光，再经过相位板7变成涡旋光束，产生的涡旋光束的拓扑荷数由相位板7所决定。

小孔3移动设置于第一透镜2和第二透镜4之间，小孔3在第一透镜2和第二透镜4之间移动，能够根据需要移动调节小孔3的位置。第一透镜2和第二透镜4的焦距均为f，第一透镜2和第二透镜4之间的间距为2f，物距为f。

CCD相机8移动设置且由电脑9控制，CCD相机8用于监测经过相位板7的光束的光斑旋转变化。起到了便捷监控涡旋光束旋转情况的作用。

相位板7用于产生涡旋光束，本实施例中，相位板7的中心位置与高斯光束的中心位置不重合，相位板7的中心位置高于或低于高斯光束的中心位置，但是相位板7的中心位置不能位于高斯光束的半径之外，即相位板7的中心位置与高斯光束的中心位置的偏移距离小于高斯光束的半径值，相位板7产生的涡旋光束为离轴涡旋光束，这样能够在产生的涡旋光束中看到一个不位于中心的暗点。激光器1产生的激光束通过4f系统准直后，再经过偏振调制系统和相位板7，最终形成涡旋光束，相位板7的中心位置与光束中心位置不完全重合，这样“离轴”的涡旋点(暗点)能够很清晰的在CCD相机上看到。暗点位置相对于中心位置发生了旋转，则认为整个光束发生了旋转。

一种可连续调节涡旋光束旋转的方法，包括以下步骤：

S1、调整光路：打开激光器使其发射光束，光束依次通过4f光束准直系统、偏振调制系统和相位板，相位板的中心位置与光束的中心位置具有一定偏移，相位板产生的涡旋光束为离轴涡旋光束，观察CCD相机是否能看到一个偏离光束中心的涡旋点；

S2、若CCD相机中能看到一个偏离光束中心的涡旋点，则完成光路的调整，固定激光器、光束偏振调制系统、相位板和CCD相机的位置不动；

S3、完成所述步骤S2后，移动4f准直系统中的小孔位置，使相位板产生的涡旋光束发生连续旋转，并通过CCD相机观察涡旋光束光斑形貌变化。

当光路调整结束以后，将CDD固定于光路上的某一个位置，以便观察光斑形貌的变化，同时保持其它所有器件固定不动保证实验条件不发生变化，调整两个透镜之间的小孔的位置，此时CCD相机中能观察到离轴涡旋点随着小孔位置的移动在光束横截面上发生了旋转，即可以认为整个光束发生了旋转。小孔的位置连续改变，涡旋点的位置也会连续改变，通过上述方法能够便捷地连续调整涡旋光束的旋转角度。

实施例1

一种可连续调节涡旋光束旋转的装置，包括同一光路上依次设置的激光器1、第一透镜2、小孔3、第二透镜4、格兰棱镜5、四分之一波片6、相位板7和由电脑9控制的CCD相机8。小孔3移动设置于第一透镜2和第二透镜4之间。第一透镜2和第二透镜4的焦距均为f，第一透镜2和第二透镜4之间的间距为2f，物距为f。

基于上述装置的一种可连续调节涡旋光束旋转的方法，包括以下步骤：

S1、调整光路：打开激光器使其发射光束，光束依次通过4f光束准直系统、偏振调制系统和相位板，相位板的中心位置与光束的中心位置具有一定偏移，相位板产生的涡旋光束为离轴涡旋光束，观察CCD相机是否能看到一个偏离光束中心的涡旋点；

S2、若CCD相机中能看到一个偏离光束中心的涡旋点，则完成光路的调整，固定激光器、光束偏振调制系统、相位板和CCD相机的位置不动；

S3、完成所述步骤S2后，移动4f准直系统中的小孔位置，使相位板产生的涡旋光束发生连续旋转，并通过CCD相机观察涡旋光束光斑形貌变化。

其中f为8cm，相位板的拓扑荷数为1，调节小孔的位置使第一透镜与小孔之间的距离S’为2cm、4cm、6cm、8cm、9cm、12cm、13cm、14cm。观察CCD中光斑旋转情况。所得光斑情况如图3所示，其中，第一排第4个图是S’与f取值相同时，这是一个特殊的位置，由图可见整个光斑非常的扭曲。但是比较第一个图和第八个图，能够明显的看出，当小孔的位置前后调节以后，光束发生了旋转。进一步说明只需要调节小孔位置就可以实现涡旋光束的旋转控制。

综上，通过调整光束准直系统中小孔位置，来调制含离轴涡旋点的涡旋光束的整个横截面旋转程度，是一种结构简单、方便易操作的调节光束旋转的装置。通过调整光束准直系统中小孔位置、来调制含离轴涡旋点的涡旋光束的整个横截面旋转程度的方法，是一种简单方便易操作的调节光束旋转的方法。在不移动CCD相机的情况下，连续的调整小孔的位置，能够使得含离轴涡旋点的光束连续旋转。本装置结构简单、对涡旋光束的旋转具有操作便捷且成本低的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可连续调节涡旋光束旋转的装置，其特征在于，包括激光器、4f光束准直系统、光束偏振调制系统和相位板；

所述4f光束准直系统包括同一光路上依次设置的第一透镜、小孔和第二透镜；

所述小孔移动设置于所述第一透镜和所述第二透镜之间；

所述光束偏振调制系统包括同一光路上依次设置的格兰棱镜和四分之一波片；

所述激光器用于发出光束，发出的光束依次经过所述第一透镜、所述小孔、所述第二透镜、所述格兰棱镜、所述四分之一波片和所述相位板。

2.根据权利要求1所述的一种可连续调节涡旋光束旋转的装置，其特征在于，还包括移动设置的CCD相机，所述CCD相机由电脑控制，所述CCD相机用于监测经过所述相位板的光束的光斑旋转变化。

3.根据权利要求1所述的一种可连续调节涡旋光束旋转的装置，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜的焦距均为f，所述第一透镜和所述第二透镜之间的间距为2f，物距为f。

4.根据权利要求1所述的一种可连续调节涡旋光束旋转的装置，其特征在于，所述相位板的中心位置高于或低于所述光束的中心位置。

5.根据权利要求4所述的一种可连续调节涡旋光束旋转的装置，其特征在于，所述相位板的中心位置与所述光束的中心位置的偏移距离小于所述光束的半径值。

6.根据权利要求1所述的一种可连续调节涡旋光束旋转的装置，其特征在于，所述4f光束准直系统用于产生高斯光束；所述光束偏振调制系统用于调制光束的偏振特性。

7.根据权利要求1所述的一种可连续调节涡旋光束旋转的装置，其特征在于，所述相位板用于产生涡旋光束；所述涡旋光束为离轴涡旋光束。

8.一种可连续调节涡旋光束旋转的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、调整光路：打开激光器使其发射光束，光束依次通过4f光束准直系统、偏振调制系统和相位板，观察CCD相机是否能看到一个偏离光束中心的涡旋点；

S2、若CCD相机中能看到一个偏离光束中心的涡旋点，则完成光路的调整，固定激光器、光束偏振调制系统、相位板和CCD相机的位置不动；

S3、完成所述步骤S2后，移动4f准直系统中的小孔位置，使相位板产生的涡旋光束发生连续旋转，并通过CCD相机观察涡旋光束光斑形貌变化。

9.根据权利要求8所述的一种可连续调节涡旋光束旋转的方法，其特征在于，所述相位板的中心位置高于或低于光束的中心位置，相位板产生的涡旋光束为离轴涡旋光束。

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