CN112964375A - 一种基于交叉相位的圆艾里涡旋光检测与操控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于交叉相位的圆艾里涡旋光检测与操控方法。圆艾里涡旋光是一种具有自聚焦特性的涡旋光场,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圆艾里涡旋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圆艾里涡旋光,在其自聚焦平面上,低阶交叉相位可实现圆艾里涡旋光的拓扑荷数检测,高阶交叉相位可操控圆艾里涡旋光的形状和奇点分布。本方法光路简洁,灵活性强,属于涡旋光操控领域,可应用于圆艾里涡旋光的检测与操控,以及微观粒子的光学操控。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于交叉相位的圆艾里涡旋光检测与操控方法。圆艾里涡旋光是一种具有自聚焦特性的涡旋光场,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。交叉相位可以在圆艾里涡旋光的自聚焦平面上实现光束的检测与操控。首先利用多参量联合调控技术制备携带圆艾里涡旋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圆艾里涡旋光,在其自聚焦平面上可实现光束的检测与操控。本方法光路简洁,灵活性强,属于涡旋光操控领域,可应用于圆艾里涡旋光的检测与操控,在微观粒子的光学操控领域具有广泛应用前景。
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,圆艾里涡旋光是一种具有自聚焦特性的涡旋光场。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。2011年I.Chremmos等首次发现了具有自聚焦特性的圆艾里涡旋光。
圆艾里涡旋光的相位中含有角相位因子exp(ilθ),其中l为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。圆艾里涡旋光由于具有自聚焦特性,目前在光学微操控、高维量子态等领域具有广阔的应用前景。
圆艾里涡旋光的检测与操控对于拓展圆艾里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圆艾里涡旋光的检测与操控具有诸多优点,空间光调制器体积小,使用便利,将携带圆艾里涡旋光信息与交叉相位的全息图样加载到空间光调制器即可实现该光束的检测与操控。运用2阶交叉相位可在圆艾里涡旋光的自聚焦平面上观测光斑的模式数m,得到圆艾里涡旋光拓扑荷数为m-1,同时通过观测光斑的分布的方位,可以得出拓扑荷数的符号,光斑呈水平方向分布时,拓扑荷数为正;光斑呈竖直方向分布时,拓扑荷数为负。运用高阶交叉相位可在圆艾里涡旋光的自聚焦平面上实现光束的整形和多奇点操控,将光斑形状调整为多边形,其边数等于高阶交叉相位的阶数,光束裂解后的奇点数等于涡旋光的拓扑荷数,奇点分布由交叉相位的强度因子进行调控。同时调节艾里环比例因子,可以改变光束自聚焦的距离,对于实现3D光学微操控具有重要意义。
发明内容
本发明的技术解决问题是:针对目前使用传统的干涉或衍射方法实现圆艾里涡旋光检测和整形较为困难,提出了一种基于交叉相位的圆艾里涡旋光检测与操控方法,该方法光路简洁,灵活性强,可根据需求调控交叉相位的阶数与强度同时实现光束的拓扑荷数检测,操控不同形状和不同奇点分布的圆艾里涡旋光,由于圆艾里涡旋光的自聚焦距离很短,此方法可大幅节约实验器材和空间。
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圆艾里涡旋光检测与操控方法,其主要包括以下步骤:
(1)利用多参量联合调控技术将圆艾里涡旋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。
(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,出射光即为携带交叉相位的圆艾里涡旋光,通过控制交叉相位的阶数与强度可在光束的自聚焦平面上实现圆艾里涡旋光的检测和整形,如图1所示。
本发明的原理是:
圆艾里涡旋光是一种具有自聚焦特性的涡旋光场,通过施加交叉相位,可以在自聚焦平面上实现圆艾里涡旋光的检测和操控。
交叉相位是一种特殊的相位结构,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,为圆艾里涡旋光的模式检测与操控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)为笛卡尔坐标,x为横坐标,y为纵坐标,μ为交叉相位的强度因子,方位角表示光束在某一平面内旋转角度的方位因子,m和n是正整数指数,二者之和为交叉相位的阶数。当时,(1)式可以简化为:
ψ0(x,y)=μxmyn (2)
当m=1、n=1时,为2阶交叉相位;高阶交叉相位是指3阶及以上的交叉相位,如3阶、4阶、5阶等。2阶交叉相位可实现圆艾里涡旋光的拓扑荷数检测,高阶交叉相位可实现圆艾里涡旋光的多边整形和多奇点操控。携带交叉相位的圆艾里涡旋光是一种非本征模态,可被视为一种新的光场。
首先利用多参量联合调控技术获得交叉相位的相位分布图和圆艾里涡旋光的全息图,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。
其次,用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为光强系数,ω0为基模束腰半径,z为光束传播距离,ω(z)为光腰半径,r为光束传播z时的半径,其光强分布如图2所示。
空间光调制器的反射光为携带交叉相位的圆艾里涡旋光,在出射平面上,传播距离为0,故波函数可表示为:
U(r,φ,0)=A0Ai(Π)exp(aΠ-Π2-ilφ)ψ(x,y) (4)
其中U表示携带交叉相位的圆艾里涡旋光波函数,(r,φ)为极坐标,r为极径,φ为极角,A0为光场常系数,Ai为艾里函数,Π为艾里环大小函数,a为指数截断因子,且0≤a<1,l为拓扑荷数,ψ为交叉相位,(x,y)为笛卡尔坐标。
艾里环大小函数Π可表示为:
其中r0为艾里环的初始半径,r为光束传播过程中艾里环的半径,ω为艾里环比例因子。
根据菲涅尔衍射原理,在传播一定距离z后,圆艾里涡旋光束表达式为:
其中E为传播一段距离后的圆艾里涡旋光波函数,(x,y)为笛卡尔坐标,z为光束传播距离,λ为光波长,k为角波数,为傅里叶变换,U为表示携带交叉相位的圆艾里涡旋光波函数,(x0,y0)为初始笛卡尔坐标。由于圆艾里涡旋光具有自聚焦特性,在其自聚焦平面上可实现光束的拓扑荷数检测和操控。
本发明方案与现有方案相比,主要优点在于:
(1)光路简洁,降低对光路搭建的精准要求,适用性强;降低成本,节约空间,使用本方法可以利用普通涡旋光的制备光路实现圆艾里涡旋光的检测和操控。
(2)灵活性强,可以根据需求,灵活调节交叉相位的阶数,2阶交叉相位可实现圆艾里涡旋光的拓扑荷数检测,高阶交叉相位可实现圆艾里涡旋光的多边整形和多奇点操控
(3)在圆艾里涡旋光的自聚焦平面上,调节交叉相位的阶数可将光斑调控为多边形,边数等于交叉相位的阶数;调节交叉相位的强度因子可以控制圆艾里涡旋光的奇点分布;调节圆艾里涡旋光的艾里环比例因子,可以控制光束自聚焦的距离,可用于实现微粒的3D操控。
图1为圆艾里涡旋光检测和操控流程图;
图2为线偏振高斯光强度分布图;
图3为圆艾里涡旋光检测和整形方案示意图;
图4为圆艾里涡旋光模式检测结果图;
图5为施加不同阶数交叉相位的圆艾里涡旋光整形结果图;
图6为圆艾里涡旋光多奇点操控结果图;
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)圆艾里涡旋光检测方案
利用多参量联合调控技术将圆艾里涡旋光的全息图与2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),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),再通过透镜(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圆艾里涡旋光,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),将CCD相机(10)置于光束的自聚焦平面上,即实现圆艾里涡旋光的拓扑荷数检测,如图3所示。
例如用拓扑荷数分别为3、-3、10、-10的圆艾里涡旋光与2阶交叉相位相乘,获得可以行精确调控的全息图样,并加载到空间光调制器(6);再用(3)式描述的线偏振高斯光照射到空间光调制器,在出射光的自聚焦平面上观察光斑的模式数,即可得圆艾里涡旋光的拓扑荷数,如图4所示。图4(a)为初始平面的圆艾里涡旋光强度分布仿真结果图,图4(b)为初始平面的圆艾里涡旋光相位分布仿真结果图,图4(c)为光束自聚焦平面的圆艾里涡旋光强度和相位分布仿真结果图,图4(d)为光束自聚焦平面的圆艾里涡旋光强度分布实验结果图。由图4(d)可以得出,由左至右光斑的模式数分别为4、4、11、11,分布方向分别为水平、竖直、水平、竖直,则圆艾里涡旋光的拓扑荷数分别为3、-3、10、-10,与实验预设条件一致。
(2)圆艾里涡旋光整形方案
圆艾里涡旋光整形方案的光路与圆艾里涡旋光检测方案相同,如图3所示。例如用拓扑荷数为4的圆艾里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(3)式描述的线偏振高斯光照射空间光调制器,在出射光的自聚焦平面上观察光斑的形状,分别为3边形、4边形、5边形、6边形,即实现圆艾里涡旋光的整形,如图5所示,图5(a)为光束自聚焦平面的圆艾里涡旋光强度分布仿真结果图,图5(b)为光束自聚焦平面的圆艾里涡旋光相位分布仿真结果图,图5(c)为光束自聚焦平面的圆艾里涡旋光强度分布实验结果图。
(3)圆艾里涡旋光多奇点操控方案
圆艾里涡旋光多奇点操控方案的光路与圆艾里涡旋光检测方案相同,如图3所示。例如将拓扑荷数为3的圆艾里涡旋光全息图分别与强度因子u=0、u=0.5×106、u=1×106、u=2×106的4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(3)式描述的线偏振高斯光照射空间光调制器,在出射光的自聚焦平面上观察光斑的奇点分布,可得随着强度因子的增大,涡旋光由圆形逐渐演化为四边形,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6所示,图6(a)为光束自聚焦平面的圆艾里涡旋光强度分布仿真结果图,图6(b)为光束自聚焦平面的圆艾里涡旋光相位分布仿真结果图。
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 (3)
1.一种基于交叉相位的圆艾里涡旋光检测与操控方法,其特征在于:圆艾里涡旋光是一种具有自聚焦特性的涡旋光场,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,交叉相位可以在圆艾里涡旋光的自聚焦平面上实现光束的检测与操控;利用多参量联合调控技术制备携带圆艾里涡旋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圆艾里涡旋光,在其自聚焦平面上可实现光束的检测与操控。
2.根据权利要求1所述的基于交叉相位的圆艾里涡旋光检测与操控方法,其特征在于:当交叉相位为2阶时,在圆艾里涡旋光的自聚焦平面上测量光斑的模式数即可得到光束的拓扑荷数,实现圆艾里涡旋光的检测。
3.根据权利要求1所述的基于交叉相位的圆艾里涡旋光检测与操控方法,其特征在于:当交叉相位为高阶时,在圆艾里涡旋光的自聚焦平面上实现光束的整形和多奇点操控,光斑形状调整为多边形,其边数等于高阶交叉相位的阶数,光束裂解后的奇点数等于涡旋光的拓扑荷数,奇点分布由交叉相位的强度因子进行调控,光束的自聚焦距离由艾里环比例因子进行调控。
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