CN111965833B - 一种螺旋形聚焦光场的生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种螺旋形聚焦光场的生成方法，为了获得空间参数更加可控的螺旋形结构光场，将涡旋光相位分布与空间变形的sp相位因子相叠加，可以得到一个目标相位图，涡旋光相位分布与空间变形的sp相位因子相叠加得到用于生成螺旋形结构光场的目标相位图，其生成的螺旋形结构光场各个参数均可自由调控，其中，螺旋的直径由涡旋光的拓扑荷l决定，空间位置由(s1,s2)决定，螺距由s2‑s1决定，螺旋形结构光场的旋向由涡旋光相位与sp相位因子的方向决定，如果需要获得相反手性旋向的螺旋形结构光场，则涡旋光相位需修改为：
Figure DDA0002664846810000011
Figure DDA0002664846810000012
本发明生成的螺旋形结构光场传播轨迹曲线平滑、空间位置可控、结构几何参数可调，具有很好的灵活性。

Description

一种螺旋形聚焦光场的生成方法
技术领域
本发明涉及信息光学、微纳制造等技术领域，具体涉及一种螺旋形聚焦光场的生成方法。
背景技术
结构光场是通过对入射光振幅、相位、偏振等信息的调控而实现聚焦空间内特定的光强分布。其中螺旋形光场在光操纵、激光微成型加工、激光钻孔、激光成丝等领域具有重要的应用价值。与传统观念中光的直线传播现象不同，螺旋形光场可以使光束在一定距离范围内沿着螺旋形的轨迹传播。已有研究表明，光束通过一定的波前调制可以实现特定的光场分布，例如目前已经实现横向自加速的艾里光束、涡旋光束等。通过复杂相位图案的设计，可以利用计算全息的方法生成更加复杂的空间结构光场。但是到目前为止，可以生成的结构光场类型非常有限，并且其结构参数和空间范围仍受到限制。如何实现空间尺寸可控、传播轨迹曲线平滑、结构几何参数可调的螺旋形结构光场，仍然是一个巨大的挑战。
发明内容
本发明提出一种螺旋形结构光场的生成方法，利用面包圈形涡旋光与空间变形的相位因子相叠加，可设计出用于生成空间螺旋形光束的波前相位图。通过对平面光束的相位调制，以及聚焦透镜的傅里叶变换，可以在透镜聚焦空间内生成传播轨迹光强变化均匀、螺旋直径可调、螺距可调、旋向可调的螺旋形聚焦光场。该方法设计思想简单、获得的螺旋光束轨迹光滑、形貌可调，光能利用率高，可广泛用于光镊技术、微加工等领域。
本发明采用的技术方案为：一种螺旋形聚焦光场的生成方法，该方法包括：
(1)携带光子轨道角动量的涡旋光束，经过透镜聚焦后会生成面包圈形状的圆环形焦点，涡旋光波矢量中存在方位项，所以沿传播方向旋转且带有螺旋状的相位波前
Figure BDA0002664846790000011
其中
Figure BDA0002664846790000012
为方位角，l为涡旋光的拓扑荷。如果对圆环形的涡旋光进行分割，然后在分割点沿轴向进行拉伸，则可以形成螺旋形光场分布，通过对涡旋光圆环形焦点进行“分割”和“轴向拉伸”实现螺旋形结构光场；
(2)涡旋光的“分割”和“轴向拉伸”通过随角度变形的相位因子叠加而实现，在空间中有一个点光源发散而出的球面波的相位分布为：
Figure BDA0002664846790000021
其中k为波数，r为半径，f为焦距，由此可以看出，球面波的相位分布与方位角
Figure BDA0002664846790000025
无关，即在每一个径向方向上相位分布是相同的，将球面波相位因子在空间进行变形，使得sp在每一个径向方向对应的焦距是不同的，随着方位角连续变化，所以可得：
Figure BDA0002664846790000022
其中
Figure BDA0002664846790000023
s1和s2分别是轴向拉伸操作的起点和终点，在光场生成光路中，相位图距傅里叶变换透镜的距离设置为f，根据经过空间变形的相位分布，这种相位分布所生成的光场为一个连续的螺旋形结构光场；
(3)为了获得空间参数更加可控的螺旋形结构光场，将涡旋光相位分布与空间变形的sp相位因子相叠加，可以得到一个目标相位图，涡旋光相位分布与空间变形的sp相位因子相叠加得到用于生成螺旋形结构光场的目标相位图，其生成的螺旋形结构光场各个参数均可自由调控，其中，螺旋的直径由涡旋光的拓扑荷l决定，空间位置由(s1,s2)决定，螺距由s2-s1决定，螺旋形结构光场的旋向由涡旋光相位与sp相位因子的方向决定，如果需要获得相反手性旋向的螺旋形结构光场，则涡旋光相位需修改为：
Figure BDA0002664846790000024
本发明优点和积极效果为：
(1)本发明提出一种螺旋形结构光场的生成方法，其为生成螺旋形结构光场的纯相位调制方法；得到的螺旋形结构光场传播轨迹曲线平滑、空间位置可控、结构几何参数(直径、螺距等)可调。本发明解决了在光场工程领域生成平滑可调谐螺旋形结构光场的难题。
(2)本发明方法不仅可以用于生成单一周期单一旋向的螺旋形结构光场，还可以生成多周期、旋向可控的螺旋光场，并且可以生成更复杂的双螺旋或者三螺旋形光场，具有很好的灵活性。
附图说明
图1为通过对涡旋光圆环形焦点进行“分割”和“轴向拉伸”实现螺旋形结构光场示意图；
图2为空间变形的球面波相位因子其对应生成的焦点光场立体示意图；
图3为涡旋光相位分布与空间变形的sp相位因子相叠加得到用于生成螺旋形结构光场的目标相位图；
图4为双周期和三周期螺旋形结构光场示意图，其中，图4(a)为双周期螺旋形结构光场示意图，图4(b)为三周期螺旋形结构光场示意图；
图5为右旋和左旋的双螺旋结构光场示意图，其中，图5(a)为右旋双螺旋结构光场示意图，图5(b)左旋的双螺旋结构光场示意图；
图6为右旋和左旋的双周期三螺旋结构光场，其中，图6(a)为右旋双周期三螺旋结构光场示意图，图6(b)为左旋的双周期三螺旋结构光场示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
根据已有知识可知，携带光子轨道角动量的涡旋光束，经过透镜聚焦后会生成面包圈形状的圆环形焦点。涡旋光波矢量中存在方位项，所以沿传播方向旋转且带有螺旋状的相位波前
Figure BDA0002664846790000031
其中
Figure BDA0002664846790000032
为方位角，l为涡旋光的拓扑荷。如果对圆环形的涡旋光进行分割，然后在分割点沿轴向进行拉伸，则可以形成类似弹簧的螺旋形光场分布(如图1所示)。图1为通过对涡旋光圆环形焦点进行“分割”和“轴向拉伸”实现螺旋形结构光场示意图。
在本发明中，涡旋光的“分割”和“轴向拉伸”通过随角度变形的相位因子叠加而实现。我们知道，在空间中有一个点光源发散而出的球面波的相位分布为：
Figure BDA0002664846790000033
其中k为波数，r为半径，f为焦距。由此可以看出，球面波的相位分布与方位角
Figure BDA0002664846790000036
无关，即在每一个径向方向上相位分布是相同的。将球面波相位因子在空间进行变形，使得sp在每一个径向方向对应的焦距是不同的，随着方位角连续变化。所以可得：
Figure BDA0002664846790000034
其中
Figure BDA0002664846790000035
s1和s2分别是轴向拉伸操作的起点和终点。在光场生成光路中，相位图距傅里叶变换透镜的距离设置为f。根据经过空间变形的相位分布如图2所示。图2为空间变形的球面波相位因子其对应生成的焦点光场立体示意图。可以看出，这种相位分布所生成的光场为一个连续的螺旋形结构光场。但是这种螺旋形结构光场的直径不可调控。
为了获得空间参数更加可控的螺旋形结构光场，将涡旋光相位分布与空间变形的sp相位因子相叠加，可以得到一个目标相位图，如图3所示。图3为涡旋光相位分布与空间变形的sp相位因子相叠加得到用于生成螺旋形结构光场的目标相位图。其生成的螺旋形结构光场各个参数均可自由调控。其中，螺旋的直径由涡旋光的拓扑荷l决定，空间位置由(s1,s2)决定，螺距由s2-s1决定。
螺旋形结构光场的旋向由涡旋光相位与sp相位因子的方向决定。如果需要获得相反手性旋向的螺旋形结构光场，则涡旋光相位需修改为：
Figure BDA0002664846790000041
除单个周期的螺旋形结构光场，通过光场的相位叠加，可以生成多个周期(例如双周期、三周期等)的螺旋形结构光场。
通过sp相位因子角向偏移与相位叠加，可以实现双螺旋、三螺旋等复杂结构光场的生成。
1.依据本发明的设计方法，可以设计出焦距为200mm，轴向拉伸位置为(s1,s2)＝(0,60mm)的单螺旋形空间光场，如图3所示。所用涡旋光拓扑荷数为l＝10。所得的螺旋光场直径为0.35mm，螺距为60mm。
2.本发明的设计方法，可以设计出双周期(s1,s2)＝(-30mm,0)+(0,30mm)和三周期(s1,s2)＝(-30mm,-10mm)+(-10mm,10mm)+(10mm,30mm)螺旋形结构光场，如图4所示。焦距为200mm。所用涡旋光拓扑荷数为l＝10。所得的双周期螺旋螺距为30mm，三周期螺旋螺距为20mm。
3.依据本发明的设计方法，可以获得不同旋向(右旋和左旋)的双螺旋结构光场，如图5所示。其中双周期的轴向拉伸位置为(s1,s2)＝(-30mm,0)+(0,30mm)。焦距为200mm。所用涡旋光拓扑荷数为l＝10。所得的螺旋螺距为30mm，双螺旋位错为(0,π)。
4.依据本发明的设计方法，可以获得不同旋向(右旋和左旋)的三螺旋结构光场，如图6所示。其中双周期的轴向拉伸位置为(s1,s2)＝(-30mm,0)+(0,30mm)。焦距为200mm。所用涡旋光拓扑荷数为l＝10。所得的螺旋螺距为30mm，三螺旋位错为
Figure BDA0002664846790000042

Claims (1)

1.一种螺旋形聚焦光场的生成方法，其特征在于：该方法包括：
(1)携带光子轨道角动量的涡旋光束，经过透镜聚焦后会生成面包圈形状的圆环形焦点，涡旋光波矢量中存在方位项，所以沿传播方向旋转且带有螺旋状的相位波前
Figure FDA0002664846780000016
其中
Figure FDA0002664846780000017
为方位角，l为涡旋光的拓扑荷，如果对圆环形的涡旋光进行分割，然后在分割点沿轴向进行拉伸，则可以形成螺旋形光场分布，通过对涡旋光圆环形焦点进行“分割”和“轴向拉伸”实现螺旋形结构光场；
(2)涡旋光的“分割”和“轴向拉伸”通过随角度变形的相位因子叠加而实现，在空间中有一个点光源发散而出的球面波的相位分布为：
Figure FDA0002664846780000011
其中k为波数，r为半径，f为焦距，由此可以看出，球面波的相位分布与方位角
Figure FDA0002664846780000018
无关，即在每一个径向方向上相位分布是相同的，将球面波相位因子在空间进行变形，使得sp在每一个径向方向对应的焦距是不同的，随着方位角连续变化，所以可得：
Figure FDA0002664846780000012
其中
Figure FDA0002664846780000013
s1和s2分别是轴向拉伸操作的起点和终点，在光场生成光路中，相位图距傅里叶变换透镜的距离设置为f，根据经过空间变形的相位分布，这种相位分布所生成的光场为一个连续的螺旋形结构光场；
(3)为了获得空间参数更加可控的螺旋形结构光场，将涡旋光相位分布与空间变形的sp相位因子相叠加，可以得到一个目标相位图，涡旋光相位分布与空间变形的sp相位因子相叠加得到用于生成螺旋形结构光场的目标相位图，其生成的螺旋形结构光场各个参数均可自由调控，其中，螺旋的直径由涡旋光的拓扑荷l决定，空间位置由(s1,s2)决定，螺距由s2-s1决定，螺旋形结构光场的旋向由涡旋光相位与sp相位因子的方向决定，如果需要获得相反手性旋向的螺旋形结构光场，则涡旋光相位需修改为：
Figure FDA0002664846780000014
Figure FDA0002664846780000015
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