CN113534473B - 涡旋光阵列系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡旋光阵列系统，包括：第一可调光分束器、相位控制器阵列、光栅阵列、偏振滤波器。第一可调光分束器将接收到的激光光束分为N路光束，N路光束进入相位控制器阵列进行相位调制，调制后的光束进入光栅阵列后进行相互干涉形成涡旋光阵列。利用本发明系统所产生的涡旋光阵列，能够实现涡旋光的阶次可调谐，并且将涡旋光的产生模块和检测模块集成到一片芯片上，缩小了整体产生和检测涡旋光阵列系统的体积。

Description

涡旋光阵列系统

技术领域

本发明涉及半导体芯片技术领域，具体涉及一种涡旋光阵列系统。

背景技术

涡旋光束(Vortex Beam,VB)是具有螺旋型相位波前和相位奇点的光束。它在大容量光通信，超分辨率光成像，光学微操控等领域有着广泛的应用，是现代光学研究的热点之一。

涡旋光阵列(VB Arrays)又称为涡旋光束晶格(VB Lattices)，或涡旋光束网络(VB network)，它是指在一个系统中同时生成多路涡旋光束，在接收屏上表现为：涡旋光束按照一定的位置规律排布的形式。相比单个涡旋光束，涡旋光阵列具有更广泛的应用。例如，涡旋光阵列的移动已经被应用于小角度旋转测量，小线性位移测量，三维扫描干涉测量等领域。此外，涡旋光阵列在微光机械泵、微光刻和量子处理的过程中也存在广泛的应用。涡旋光阵列的应用依赖于高质量涡旋光阵列的产生。目前产生涡旋光阵列的方法主要有干涉法、螺旋相位滤波法、计算全息法等。其中，干涉法的光路一般比较复杂，需要精密调整，不容易稳定，在实际产生涡旋光阵列时有诸多的不便。螺旋相位滤波法对螺旋相位板的表面质量要求比较高，加工制作比较困难。另外几种方法依赖于大量笨重的衍射光学元件、并拥有相对较大的体积和较长的工作距离，不利于涡旋光阵列生成器件的小型化和集成化。因此，发展一种尺寸小，可集成，能大规模生产的涡旋光阵列发射器件和涡旋光阵列检测器件是将涡旋光阵列应用在更广领域的必要条件。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，本发明提供一种涡旋光阵列系统。

一种涡旋光阵列系统，包括：第一可调光分束器、相位控制器阵列和光栅阵列；所述第一可调光分束器将接收到的激光光束分为N路光束，所述N路光束进入所述相位控制器阵列进行相位调制，调制后的光束进入所述光栅阵列后进行相互干涉形成涡旋光阵列。

所述光栅阵列包括M个光栅，M为≥3的正整数；其中M个光栅中包括至少一个主光栅，所述M个光栅中除所述主光栅以外的光栅以所述主光栅的方向为轴对称分布设置，并且所述M个光栅衍射的光均在同一点发生干涉。

进一步地，所述第一可调光分束器为马赫-曾德尔干涉仪阵列，所述马赫-曾德尔干涉仪阵列包括N个马赫-曾德尔干涉仪，每个所述马赫-曾德尔干涉仪包括依次连接的光分束器、相位控制器、光混合器；所述激光光束进入所述光分束器进行分束，分束后的N路光束依次通过所述相位控制器、所述光混合器后调节成不同相位、光强度的光束。

进一步地，所述相位控制器阵列中的每个相位控制器和所述马赫-曾德尔干涉仪阵列中的每个相位控制器均为热光效应的相位控制器或载流子色散效应的相位控制器。

进一步地，所述光栅阵列中光栅的数量为(n+1)(n+2)/2，以产生n阶涡旋光阵列；

光栅阵列干涉后所产生的电场强度为：

其中E为电场强度，n为涡旋光的阶数；k为标量波矢，k＝2π/λ；

为矢量形式坐标；i为虚数单位；λ为激光光束的波长；p为求和序号。

进一步地，所述光栅阵列中光栅的数量为n(n+1)(n-1)/6+n(n+2)，以产生可调谐的n阶涡旋光阵列。

进一步地，还包括偏振滤波器，所述偏振滤波器为金属光栅；所述涡旋光阵列进入到所述偏振滤波器进行滤波处理，获得不同偏振态的涡旋光阵列。

进一步地，所述金属光栅的材料为金、银、铜、铝、钛其中的任意一种金属或几种混合的合金。

进一步地，还包括检测模块，用于检测所产生的涡旋光阵列的阶次；所述检测模块包括：第二可调光分束器、检测相位控制器、检测光栅。

所述第二可调光分束器将接收到的激光光束分束为第一光束和第二光束，所述第一光束进入所述第一可调光分束器中，所述第二光束进入所述检测相位控制器进行相位调制后，进入所述检测光栅，经所述检测光栅衍射后射出后与所述涡旋光阵列在同一点发生干涉，对所述涡旋光阵列进行检测。

进一步地，光分束器替代所述第一可调光分束器；在所述相位控制器阵列出射端和所述光栅阵列入射端之间加入可调光衰减器阵列；在所述检测相位控制器出射端和所述检测光栅入射端之间加入可调光衰减器。

所述可调光衰减器阵列和所述可调光衰减器用于调整经相位调制后光束的光强度。

进一步地，所述涡旋光阵列系统集成在芯片上。

本发明能够取得以下技术效果：

1、本发明提供的涡旋光阵列芯片，所采用光栅阵列来实现涡旋光阵列的产生，相对于传统的复合衍射光栅元件或液晶空间光控制器缩小了涡旋光阵列产生装置的体积。

2、本发明提供的涡旋光阵列芯片，所采用光栅阵列来实现涡旋光阵列的产生，相对于传统涡旋光阵列的产生方式的结构简单。

3、本发明提供的涡旋光阵列芯片，所采用光栅阵列来实现涡旋光阵列的产生，所产生的涡旋光光强分布均匀，光强稳定不会随着衍射级绝对值的增大而减弱。

4、本发明提供的涡旋光阵列芯片，将涡旋光阵列的产生和检测进行集成，缩小了整体生产和检测涡旋光阵列装置的体积。

附图说明

图1是本发明实施例1涡旋光阵列芯片的第一结构图；

图2是本发明实施例1一个马赫-曾德尔干涉仪的结构图；

图3是本发明实施例1光栅设置示意图；

图4是本发明实施例1主光栅设置示意图；

图5是本发明实施例1光栅阵列与偏振滤波器设置示意图；

图6A是本发明实施例1产生的一阶涡旋光阵列光强示意图；

图6B是本发明实施例1产生的一阶涡旋光阵列相位示意图；

图6C是本发明实施例1产生的一阶涡旋光阵列与检测光栅产生的光束干涉后形成的叉形条纹阵列示意图；

图7A是本发明实施例1产生的二阶涡旋光阵列光强示意图；

图7B是本发明实施例1产生的二阶涡旋光阵列相位示意图；

图7C是本发明实施例1产生的二阶涡旋光阵列与检测光栅产生的光束干涉后形成的叉形条纹阵列示意图；

图8是本发明实施例2涡旋光阵列芯片的第二结构图。

其中的附图标记如下：

第一可调光分束器1、光分束器101、相位控制器102、2×2光混合器103、相位控制器阵列2、光栅阵列3、偏振滤波器4、第二可调光分束器5、检测相位控制器6、检测光栅7、1×N光分束器8、可调光衰减器阵列9、可调光衰减器10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明实施例提供一种涡旋光阵列芯片的结构图，如图1所示，包括：第一可调光分束器1、相位控制器阵列2、光栅阵列3、偏振滤波器4。

第一可调光分束器1将接收到的激光光束分为N路光束，N路光束进入相位控制器阵列2进行相位调制，实施例中相位控制器阵列2为1*6的可调光分束器101，通过调节相位差的数值实现输出不同相位的光束进入到光栅阵列3，进入光栅阵列3后不同相位的光束进行相互干涉形成涡旋光阵列。由于光栅阵列3中所有光栅的放置不一定是平行设置，因此从光栅阵列3出射的光束的偏振方向各不相同，且比例也不同。为了方便后续探测及数据处理，将形成的涡旋光阵列进行偏振滤波器4的滤波处理，根据需求调整偏振滤波器4，获得偏振态不同的涡旋光阵列。

实施例中，光栅阵列3中光栅数量为M，M为≥3的正整数。光栅均为波导光栅或透射光栅，本申请对光栅的种类不进行限制，可根据需要来选取不同类型的光栅。光栅阵列3中包括至少一个设置有方向的主光栅，主光栅方向可以任意设置，只起一个参考的定位方向。如图3和图4所示，光栅阵列3中的除主光栅以外的光栅以主光栅方向为轴对称分布设置，并且光栅阵列3中所有光栅衍射的光都在一点发生干涉。

涡旋光阵列产生的原理：根据要产生的涡旋光阵列的阶次调整第一可调光分束器1中的各个相位控制器102，产生的不同相位的光束进入相位控制器阵列2再次进行相位调制，调制后的光束进入到光栅阵列3中，各个光束经光栅阵列3出射，通常为斜向上的方向出射，各个光束彼此相互干涉形成涡旋光阵列。生成的涡旋光光阵列在X轴和Y轴的分量并不相同，此时可以根据不同的需求使用偏振滤波器4进行滤波，以获得满足需求的涡旋光光阵列。

在本发明的一个具体示例中，第一可调光分束器1为马赫-曾德尔干涉仪(以下简称MZI)阵列，MZI阵列包括5个MZI，如图2所示，每个MZI包括光分束器101(50：50)、相位控制器102、2×2光混合器103；通过调制相位控制器102和2×2光混合器103，可以控制每路光束所产生的相位和光强不同，也可以控制各路之间的相位差相同，以产生相位、光强度不同的光束。

在本发明的一个具体示例中，相位控制器阵列2中的每个相位控制器和MZI阵列中的每个相位控制器102为热光效应的相位控制器或载流子色散效应的相位控制器。

在本发明的一个具体示例中，产生n阶涡旋光阵列光栅阵列3中光栅的数量为：(n+1)(n+2)/2。当产生1阶涡旋光阵列需要3个光栅；当产生2阶涡旋光阵列需要6个光栅；当产生3阶涡旋光阵列需要10个光栅，当产生4阶涡旋光阵列需要15个光栅，依此类推，根据光栅的数量和设置来实现产生不同阶次的涡旋光阵列。

当产生n阶涡旋光阵列光栅阵列3的数量为奇数，则主光栅的数量为一个；当光栅阵列3的数量为偶数时，主光栅的数量为两个。当主光栅的数量为两个时，两个主光栅只要保持有一个共同的主光栅方向即可，不必在一条直线或平行。

光栅阵列3干涉后所产生的电场强度为：

其中E为电场强度，n为涡旋光的阶数；k为标量波矢，k＝2π/λ；

为矢量形式坐标；λ为激光光束的波长；p为求和序号。

当n＝1，即产生1阶涡旋光阵列，需要3个光栅，其中主光栅的电场强度为：

其中a为振幅；i为虚数单位；

为矢量形式波矢；k为标量波矢，k＝2π/λ；

为矢量形式坐标；ψ为光波的初始相位；θ₁是光传播方向与z轴的夹角；

是y方向；

是z方向。

另外两个光栅的电场强度为：

其中，b是振幅；n为涡旋光的阶数；

为光传播方向在x-y平面的投影与x轴方向的夹角；θ₂是光传播方向与z轴的夹角；

是x方向；

是y方向；

是z方向。

当三个光栅发生干涉后，光束的电场强度为：

当n＝2时，即产生2阶涡旋光阵列，需要6个光栅，光束的电场强度为：

在本发明的一个具体示例中，产生可调谐的n阶涡旋光阵列光栅阵列3中光栅的数量为：n(n+1)(n-1)/6+n(n+2)。当要产生可调谐的4阶涡旋光阵列，即需要所产生的涡旋光阵列能够在1、2、3、4阶次进行相互转换的时候，则需要34个光栅。实则将产生每个阶次的光栅的数量进行加和运算，即3+6+10+15＝34。

在本发明的一个具体示例中，偏振滤波器4为金属光栅，如图5所示，在光栅阵列3上方，金属光栅可以选择一个偏振方向的光出射，金属光栅方向与主光栅方向垂直时，涡旋光束最明显。

在本发明的一个具体示例中，金属光栅的高导电性的金属材料金、银、铜、铝、钛其中的任意一种金属或几种混合的合金。

在本发明的一个具体示例中，涡旋光阵列芯片还包括检测模块，用于检测所产生的涡旋光阵列的阶次；检测模块包括：第二可调光分束器101、检测相位控制器102、检测光栅7。检测光栅7衍射的光与光栅阵列3衍射的光都在一点发生干涉。

如图6A-6C、如图7A-7C所示，第二可调光分束器5将接收到的激光光束分束为两路光束，第一光束用于产生涡旋光阵列，第一光束依次进入第一可调光分束器1、相位控制器阵列2、光栅阵列3中；第二光束用于检测产生涡旋光阵列，第二光束进入检测相位控制器102进行相位调制后，进入检测光栅7，经检测光栅7出射的衍射光束为平面波，平面波与光阵列出射的形成的涡旋光阵列进行干涉，对进行产生涡旋光阵列进行检测。若第二可调光分束器101不将接收到的激光光束进行分束，则此时的芯片为涡旋光阵列产生芯片。因此加入上述部件使得整个芯片不仅是一个涡旋光阵列产生芯片，还可以对产生的涡旋光阵列进行检测，此时将涡旋光阵列的产生和检测集成在一片芯片上。

检测的原理为：所产生涡旋光阵列的电场强度为E_v，检测光栅7所产生的平面波的电场强度为E_P，则干涉时总的电场强度E_A＝E_v+E_P，光强I＝E_A·conj(E_A)，在外接的设备上可以观察到涡旋光阵列与平面波进行干涉后会产生叉形条纹阵列图，可以证明产生了涡旋光阵列。进一步根据产生的叉形条纹阵列图的形态来确定产生的涡旋光阵列与预先设置的涡旋光阵列的阶数是否一致。如图6A-6C，形成的一阶涡旋光阵列与检测光栅7出射的光束干涉，会形成叉形条纹阵列图。如图7A-7C所示，形成的二阶漩涡光阵列与检测光栅7出射的光束干涉，会形成叉形条纹阵列图。

实施例2：

在本发明的一个具体示例中，提供一种替代方案，如图8所示，光分束器101替代第一可调光分束器1；在相位控制器阵列2出射端和光栅阵列3入射端之间加入可调光衰减器阵列9；在检测相位控制器6出射端和检测光栅7入射端之间加入可调光衰减器10。可调光衰减器阵列9和可调光衰减器10用于调整经相位调制后光束的光强度。光分束器101不能够调整相位，则需要通过可调光衰减器阵列9和可调光衰减器10来调整相位。进而完成涡旋光阵列的产生和检测。

在本发明的一个具体示例中，涡旋光阵列系统集成在芯片上。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种涡旋光阵列系统，其特征在于，包括：第一可调光分束器、相位控制器阵列和光栅阵列；其中，

所述第一可调光分束器将接收到的激光光束分为N路光束，所述N路光束进入所述相位控制器阵列进行相位调制，调制后的光束进入所述光栅阵列后进行相互干涉形成涡旋光阵列；

所述光栅阵列包括M个光栅，M为≥3的正整数；其中M个光栅中包括至少一个主光栅，所述M个光栅中除所述主光栅以外的光栅以所述主光栅的方向为轴对称分布设置，并且所述M个光栅衍射的光均在同一点发生干涉；

所述第一可调光分束器为马赫-曾德尔干涉仪阵列，所述马赫-曾德尔干涉仪阵列包括N个马赫-曾德尔干涉仪，每个所述马赫-曾德尔干涉仪包括依次连接的光分束器、相位控制器、光混合器；所述激光光束进入所述光分束器进行分束，分束后的N路光束依次通过所述相位控制器、所述光混合器后调节成不同相位、光强度的光束。

2.根据权利要求1所述的涡旋光阵列系统，其特征在于，所述相位控制器阵列中的每个相位控制器和所述马赫-曾德尔干涉仪阵列中的每个相位控制器均为热光效应的相位控制器或载流子色散效应的相位控制器。

3.根据权利要求1所述的涡旋光阵列系统，其特征在于，

所述光栅阵列中光栅的数量为(n+1)(n+2)/2，以产生n阶涡旋光阵列；

光栅阵列干涉后所产生的电场强度为：

其中E为电场强度，n为涡旋光的阶数；k为标量波矢，k＝2π/λ；

为矢量形式坐标；i为虚数单位；λ为激光光束的波长；p为求和序号。

4.根据权利要求1所述的涡旋光阵列系统，其特征在于，

所述光栅阵列中光栅的数量为n(n+1)(n-1)/6+n(n+2)，以产生可调谐的n阶涡旋光阵列。

5.根据权利要求1所述的涡旋光阵列系统，其特征在于，还包括偏振滤波器，所述偏振滤波器为金属光栅；

所述涡旋光阵列进入到所述偏振滤波器进行滤波处理，获得不同偏振态的涡旋光阵列。

6.根据权利要求5所述的涡旋光阵列系统，其特征在于，所述金属光栅的材料为金、银、铜、铝、钛其中的任意一种金属或几种混合的合金。

7.根据权利要求1所述的涡旋光阵列系统，其特征在于，还包括检测模块，用于检测所产生的涡旋光阵列的阶次；其中，

所述检测模块包括：第二可调光分束器、检测相位控制器、检测光栅；

所述第二可调光分束器将接收到的激光光束分束为第一光束和第二光束，所述第一光束进入所述第一可调光分束器中，所述第二光束进入所述检测相位控制器进行相位调制后，进入所述检测光栅，经所述检测光栅衍射后射出后与所述涡旋光阵列在同一点发生干涉，对所述涡旋光阵列进行检测。

8.一种涡旋光阵列系统，其特征在于，包括相位不可调的光分束器、相位控制器阵列和光栅阵列；其中，

所述相位不可调的光分束器将接收到的激光光束分为N路光束，所述N路光束进入所述相位控制器阵列进行相位调制，调制后的光束进入所述光栅阵列后进行相互干涉形成涡旋光阵列；

所述光栅阵列包括M个光栅，M为≥3的正整数；其中M个光栅中包括至少一个主光栅，所述M个光栅中除所述主光栅以外的光栅以所述主光栅的方向为轴对称分布设置，并且所述M个光栅衍射的光均在同一点发生干涉。

9.根据权利要求8所述的涡旋光阵列系统，其特征在于，还包括检测模块，用于检测所产生的涡旋光阵列的阶次；其中，

所述检测模块包括：第二可调光分束器、检测相位控制器、检测光栅；

所述第二可调光分束器将接收到的激光光束分束为第一光束和第二光束，所述第一光束进入所述相位不可调的光分束器中，所述第二光束进入所述检测相位控制器进行相位调制后，进入所述检测光栅，经所述检测光栅衍射后射出后与所述涡旋光阵列在同一点发生干涉，对所述涡旋光阵列进行检测。

10.根据权利要求9所述的涡旋光阵列系统，其特征在于，在所述相位控制器阵列出射端和所述光栅阵列入射端之间加入可调光衰减器阵列；在所述检测相位控制器出射端和所述检测光栅入射端之间加入可调光衰减器；所述可调光衰减器阵列和所述可调光衰减器用于调整经相位调制后光束的光强度。

11.根据权利要求1-10任意一项所述的涡旋光阵列系统，其特征在于，所述涡旋光阵列系统集成在芯片上。

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