CN114019690B - 产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统 - Google Patents

产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，包括按光路设置的激光器、准直扩束系统、空间光调制器、4‑f系统和图像探测器。激光器出射的线偏振高斯光经准直扩束系统后照射到空间光调制器上进行复振幅调制，出射光的一级衍射光在第一个2‑f系统的后焦面上生成任意阶交替光学涡旋阵列，在第二个2‑f系统的后焦面上生成可调带缺陷的有限光晶格。产生的任意阶交替光学涡旋阵列中的每个涡旋的拓扑荷值和涡旋之间的间距可以精准地控制；生成的有限光晶格中光斑排列有特定规则，光斑数目有限且可控，且可通过控制参数产生光晶格缺陷；生成的可控的带有光晶格缺陷的可调有限空间光晶格能应用于各类微粒的光学操控。

Description

产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种产生任意阶交替光学涡旋阵列和带缺陷的可调有限光晶格的光学系统。
背景技术
光学涡旋具有相位奇点，此处的相位不确定，其振幅和光强为零，形成暗中空结构的光强分布；涡旋光场的相位中有螺旋相位项
Figure BDA0003337692770000015
说明其每个光子携带有
Figure BDA0003337692770000016
的轨道角动量，其中l是光学涡旋的拓扑荷数，
Figure BDA0003337692770000013
是方位角，
Figure BDA0003337692770000014
是约化普朗克常数。光学涡旋具有暗中空结构和轨道角动量的特性可应用于信息传输、图像处理和光学微操纵等领域。
光学涡旋阵列是按照一定的数学结构排列的由多个光学涡旋构成的阵列结构，与单个光学涡旋相比，光学涡旋阵列增加了空间排布这一自由度，增强了其在信息传输领域中的信息编码能力。在光学微操作领域，它可以满足同时捕获、操纵和观测多个粒子的需求，因而逐渐成为新的研究热点。光学涡旋阵列的产生方法有多种，常见的有：多光束干涉法、螺旋相位滤波法、达曼光栅法和空间光调制法等。多光束干涉法可以制作多种结构的光学涡旋阵列，但用于实验中的干涉仪需要精确的位置调整，实验难度较大；螺旋相位滤波法可以产生任意形状和阵列的光学涡旋阵列，但实验中的螺旋相位板制作比较困难；达曼光栅法只能生成方形结构的光学涡旋阵列，且每个光学涡旋位置都受到衍射规则的限制。空间光调制法原理比较简单，首先设计出光学涡旋阵列的全息图，然后将全息图加载到空间光调制器上，最后再调整实验光路就可以得到目标的光学涡旋阵列，而且通过改变实时加载到空间光调制器上的全息图，我们可以灵活地调控产生的光学涡旋阵列。相比较而言，空间光调制法是产生光学涡旋阵列的简便方法。
空间光调制器是一种能用来调制光场的振幅、相位的器件，现有的空间光调制器大多仅能单一调制光波的振幅或光波的相位，要实现振幅和相位的同时独立调制即复振幅调制存在一定的困难。目前对加载到空间光调制器上的全息图进行复振幅编码是能有效实现复振幅调制的方法，其中，复振幅编码方式主要有两种：一种是光栅法，是将振幅信息编码进相位信息，再通过滤波，将复振幅信息重建出来[Applied Optics 38,5004–5013(1999)]。另一种是双相位编码法，是将一个复振幅分解为两个模相等的相位分量的叠加[Applied Optics 17,3874–3883(1978)]。
发明内容
本发明利用空间光调制法产生了一种任意阶交替光学涡旋阵列。为了使空间光调制器实现对光场的复振幅调制，本发明采用了光栅法对光学涡旋阵列的全息图进行复振幅编码。本发明产生的是任意阶交替光学涡旋阵列，阵列中光学涡旋的拓扑荷值交替地正、负变化和各光学涡旋之间的间距可以精准地调控，通过简单的实验光路，得到可控的带缺陷的有限光晶格，这在微粒操纵中具有非常重要的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种产生任意阶交替光学涡旋阵列和带缺陷可调有限光晶格的光学系统，包括按光路设置的激光器、准直扩束系统、空间光调制器、4-f系统和图像探测器，所述空间光调制器可加载不同的任意阶交替光学涡旋阵列的全息图。
设任意阶交替光学涡旋阵列在初始平面的光场为：
Figure BDA0003337692770000021
其中，(u,v)表示笛卡尔坐标系，u表示横坐标，v表示纵坐标；w0为入射高斯光束的束腰半径，G为光强归一化因子；φ(u,v)表示任意阶交替光学涡旋阵列的初始调制振幅与相位分布，φ(u,v)的表达式为：
φ(u,v)＝[cos(au)+isin(bv)]n (2)
其中，a和b是调控任意阶交替光学涡旋阵列中u和v方向上光场的振幅和相位的参数，为实数；i表示虚数单位；n为正整数，代表任意阶交替光学涡旋阵列中每个光学涡旋的正、负拓扑荷数值的绝对值，这里交替光学涡旋指拓扑荷数值为±n的光学涡旋交替排列。
由于公式(2)不是纯相位的形式，可以将公式(2)中的振幅与相位信息同时编码成纯相位信息，得到纯相位的全息图，再将纯相位的全息图加载到相位型空间光调制器上，以实现复振幅调制。
激光器发出的线偏振高斯光经准直扩束系统照射到空间光调制器上进行复振幅调制，出射光的一级衍射光在第一个2-f系统的后焦面上可通过光阑筛选出，即可得到任意阶交替光学涡旋阵列。生成的任意阶交替光学涡旋阵列在第二个2-f系统的后焦面上可形成带缺陷的可调有限光晶格。
通过调整公式(2)中的拓扑荷数n、参数a和b，利用光栅法进行复振幅编码，可得到不同的任意阶交替光学涡旋阵列全息图，然后在相位型空间光调制器上加载不同的任意阶交替光学涡旋阵列全息图，可以实现对可调有限光晶格中的光斑亮点数目或光斑亮点间距的控制。
当参数a和b相等时，在第二个2-f系统的后焦面上可产生方形有限光晶格阵列；当参数a和b不相等时，则在第二个2-f系统的后焦面上可产生菱形有限光晶格阵列。当参数a和b变小时，可调方形或菱形有限光晶格中的各光斑亮点间距会减小；反之，则变大。
当控制拓扑荷数值的参数n增大时，可调方形或菱形的有限光晶格中的光斑亮点数目将增加；并且在特定n值时，可产生带缺陷的有限光晶格阵列。
所述准直扩束系统按照光路的设置依次包括半波片、偏振分光棱镜、扩束镜；
所述半波片固定在可旋转的光学镜架上，通过半波片绕光传播方向旋转，可改变出射光的偏振方向；
所述偏振分光棱镜通过介质分束膜来反射竖直偏振光透过水平偏振光；通过旋转半波片，可改变偏振分光棱镜出射光的光强度；
所述扩束镜实现光束的准直和扩束，以匹配相位型空间光调制器的液晶面板；
所述相位型空间光调制器与计算机相连，通过计算机上的空间光调制器控制软件，可以将任意阶交替光学涡旋阵列的全息图加载到相位型空间光调制器上。
本发明的有益效果是：
(1)产生的任意阶交替光学涡旋阵列中的每个涡旋的正、负拓扑荷数值(由参数n的值决定)和涡旋之间的间距(由参数a和b的值决定)可以精准地控制；生成的带有光晶格缺陷的可调有限空间光晶格能应用于多个微粒的光学操控，及光与原子、分子等微观粒子的精密量子操控。
(2)光路简洁，节约了实验器材和空间，对光路精准程度的要求较低，具有较强的适用性和灵活性。
附图说明
图1为任意阶交替光学涡旋阵列中各交替光学涡旋拓扑荷数值的绝对值n从1变化到5的振幅(上排图像)和相位(下排图像)分布图，其中a＝b＝5mm-1。
图2为产生任意阶交替光学涡旋阵列和带缺陷的可调有限光晶格的光路图。
其中：1、激光器；2、半波片；3、偏振分光棱镜；4、扩束镜；5、空间光调制器；6、第一透镜；7、光阑；8、第二透镜；9、图像探测器；10、计算机。
图3为产生的可调方形有限光晶格的光强分布图(包括带缺陷的有限光晶格的光强分布图)。当n＝2,4时，产生的方形有限光晶格分别带有1个和4个缺陷(即缺失的光斑亮点)。这里光强值取了常用对数。其中，(a)是实验图，(b)是对应的理论图。(a)和(b)中的数字1到5依次代表着参数n的值从1增加到5的情况，其他参数为：a＝b＝5mm-1,0＝1.5mm。
图4为在不同参数下产生的可调有限光晶格的光强分布实验结果图。通过控制参数a和b的值，可获得间距可控的正方形或菱形有限光晶格。这里光强值取了常用对数。其中，(a)n＝3，(b)n＝4；参数a和b的值标注在图像的上方；其他参数为：w0＝1.5mm。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。
图2为本发明实施例的光路图。按照光路设置依次包括激光器1，半波片2，偏振分光棱镜3，扩束镜4，空间光调制器5，第一透镜6，光阑7，第二透镜8，图像探测器9，以及和空间光调制器5连接的计算机10。其中：空间光调制器5与第一透镜6的距离和光阑7与第一透镜6的距离相等，且等于第一透镜6的焦距；光阑7与第二透镜8的距离和图像探测器9与第二透镜8的距离相等，且等于第二透镜8的焦距。
激光器1输出线偏振基模高斯光通过对应的632.8nm波长的半波片2，半波片2固定在可旋转光学镜架上，通过半波片2绕光传播方向旋转，可改变出射光的偏振方向。
经过半波片2出射的激光通过偏振分光棱镜3后，透射光为水平偏振光，满足空间光调制器5对入射光偏振方向的要求。同时可旋转半波片2，控制偏振分光棱镜3出射光的光强度。
从偏振分光棱镜3出射的激光将经过扩束镜4扩束，以匹配空间光调制器5的液晶面板，从而充分利用空间光调制器5的调制性能。
经扩束镜4扩束后的激光入射至空间光调制器5中，通过计算机10可将任意阶交替光学涡旋阵列的全息图加载到空间光调制器5上。
经空间光调制器5复振幅调制后，出射光由第一透镜6聚焦在后焦面上，可通过光阑7挑选出一级衍射的光而挡住其他级次的光，一级衍射的光即为目标的任意阶交替光学涡旋阵列，即光阑7所在的平面是任意阶交替光学涡旋阵列的初始平面。经光阑7选出的任意阶交替光学涡旋阵列由第二透镜8聚焦成像在图像探测器9上。通过图像探测器9，可以观察到方形或菱形有限光晶格，以及获得带缺陷的可调有限光晶格。
以下实施例中激光器1为波长632.8nm的氦氖激光器，选用的是美国Thorlabs公司，型号为HNL050LB的激光器。
扩束镜4选用大恒光电的GCO-25系列连续变倍扩束镜，型号为GCO-2501。
空间光调制器5选用Holoeye公司的PLUTO-2-NIR-015型号的相位型空间光调制器，调制光波段为650～1100nm。
图像探测器9选用图谱光电的CMOS相机，型号为E3CMOS20000KMA，相机芯片的面元尺寸为13.06mm×8.76mm，像素尺寸为2.4μm×2.4μm，像素深度为12比特。
第一透镜6的焦距和第二透镜8的焦距均为500mm。
实施例1
激光器1出射波长632.8nm的线偏振光束，通过半波片2和偏振分光棱镜3后，光的偏振方向为水平偏振，旋转半波片2可调整偏振分光棱镜3的出射光的光强度。出射光沿着光传播方向进入扩束镜4，扩束镜4对光束扩束，扩束后的光斑直径约3mm，能够匹配空间光调制器5的液晶面板。
经扩束镜4扩束后的光束照射至空间光调制器5，空间光调制器5通过计算机10控制，可实时加载任意阶交替光学涡旋阵列的全息图。经过空间光调制器5复振幅调制和第一透镜6聚焦后的光束，通过光阑7选择其一级衍射光束，即得到目标的任意阶交替光学涡旋阵列。经光阑7选出的任意阶交替光学涡旋阵列由第二透镜8聚焦成像在图像探测器9上，在不同参数n、a、b下，即获得方形或棱形有限光晶格，以及带缺陷的可调有限光晶格。
空间光调制器5通过计算机10的控制，可实时加载任意阶交替光学涡旋阵列的全息图。任意阶交替光学涡旋阵列的初始调制振幅与相位分布φ(u,v)可表示为：
φ(u,v)＝[cos(au)+isin(bv)]n (1)
其中，a和b是调控任意阶交替光学涡旋阵列中u和v方向上光场的振幅和相位的参数，为实数；i表示虚数单位；n为正整数，代表任意阶交替光学涡旋阵列中每个光学涡旋拓扑荷数值为±n的绝对值。这里交替光学涡旋指拓扑荷值为±n的光学涡旋交替排列。图1为公式(1)描述的任意阶交替光学涡旋阵列的振幅(上排图像)和相位(下排图像)分布图，其中，图像从左到右拓扑荷数n依次从1变化到5，其他参数为：a＝b＝5mm-1。
由于公式(1)不是纯相位的形式，可以将公式(1)中的振幅与相位信息同时编码成纯相位信息，得到纯相位的全息图，再将纯相位的全息图加载到相位型空间光调制器上，以实现复振幅调制。
图3为产生的可调方形有限光晶格的光强分布图，包括带缺陷的可调有限光晶格的光强分布图，光强值取了常用对数，其中，图3(a)是实验图，图3(b)是对应的理论图，其他参数为：a＝b＝5mm-1,0＝1.5mm。如图3所示，随着拓扑荷数n的增大，方形光晶格中的光斑亮点数将增多。而且根据图3(a2)和图3(a4)，可以发现在拓扑荷数n等于2和4时，方形光晶格中的光斑亮点有缺失的情况：当拓扑荷数n等于2时，方形光晶格中心的那一个光斑亮点缺失了；当拓扑荷数n等于4时，方形光晶格缺失了四个光斑亮点。除实施的例子外，通过改变n，利用该方案还可以产生其他光斑数目不同的有限光晶格以及带缺陷的有限光晶格阵列。
实施例2
采用与实施例1相同的光路图和复振幅编码方法，改变参数n，a和b的值，将得到的全息图加载到空间光调制器5上，可在图像探测器9上获得不同参数下的可调有限光晶格。
图4为在不同参数下产生的可调有限光晶格的光强分布实验结果图，光强值取了常用对数，其中：图4(a)n＝3，图4(b)n＝4；参数w0的值为1.5mm。根据图4(a1)、4(a3)、4(a5)、4(b1)、4(b3)和4(b5)，可以发现：当参数a和b的值相等时，产生的是正方形有限光晶格阵列。从图4(a2)、4(a4)、4(b2)和4(b4)中，可以看到：当参数a和b的值不相等时，形成的是菱形有限光晶格阵列或菱形的带缺陷的有限光晶格阵列。对比图4(a2)和4(a3)，或者图4(a4)和4(a5)，或者图4(b2)和4(b3)，或者图4(b4)和4(b5)，可以得到：当参数a的值增大时，有限光晶格中各光斑亮点在x方向上的间距会增大。对比图4(a1)和4(a2)，或者图4(a3)和4(a4)，或者图4(b1)和4(b2)，或者图4(b3)和4(b4)，可以得出：当参数b的值增大时，有限光晶格中各光斑亮点在y方向上的间距会变大。因此，通过改变参数a和b的值，可以获得间距可控的正方形或菱形有限光晶格阵列或带缺陷的光晶格阵列。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征等同替换所组成的技术方案。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，包括按光路设置的激光器、准直扩束系统、空间光调制器、4-f系统和图像探测器，其特征在于：所述空间光调制器加载不同的任意阶交替光学涡旋阵列的全息图，所加载的任意阶交替光学涡旋阵列的初始调制振幅与相位分布φ(u,v)表示为：
φ(u,v)＝[cos(au)+isin(bv)]n
其中，(u,v)表示笛卡尔坐标系；a和b是调控任意阶交替光学涡旋阵列中u和v方向上光场的振幅和相位的参数，为实数；i表示虚数单位；n为正整数，代表任意阶交替光学涡旋阵列中每个光学涡旋的正、负拓扑荷数值的绝对值；所述交替光学涡旋指拓扑荷值为±n的光学涡旋交替排列；
通过改变n参数控制产生拓扑荷为±n的交替光学涡旋阵列，以及产生光斑数目不同的光晶格点阵和带特定光晶格缺陷的有限光晶格阵列。
2.根据权利要求1所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：所述任意阶交替光学涡旋阵列在初始平面的光场为：
Figure FDA0003694540270000011
其中，w0为入射高斯光束的束腰半径，G为光强归一化因子。
3.根据权利要求1所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：所加载的任意阶交替光学涡旋阵列的初始调制振幅与相位分布中，将振幅与相位信息同时编码成纯相位信息，得到纯相位的全息图，再将所述纯相位的全息图加载到相位型空间光调制器上，以实现复振幅调制。
4.根据权利要求1-3任一项所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：所述激光器出射的线偏振高斯光经所述准直扩束系统后照射到所述空间光调制器，进行复振幅调制后出射光的一级衍射光在第一个2-f系统的后焦面上生成任意阶交替光学涡旋阵列，在第二个2-f系统的后焦面上生成可带缺陷的可调有限光晶格。
5.根据权利要求4所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：经所述空间光调制器复振幅调制后，出射光由第一透镜聚焦在后焦面上，通过光阑挑选出一级衍射光而挡住其他级次的光，一级衍射光即为目标的任意阶交替光学涡旋阵列；经光阑选出的任意阶交替光学涡旋阵列由第二透镜聚焦成像在图像探测器上。
6.根据权利要求1-3任一项所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：通过改变a、b参数可控制有限光晶格的分布形状。
7.根据权利要求6所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：当参数a和b相等时，可产生方形有限光晶格阵列；当参数a和b不相等时，可产生菱形有限光晶格阵列。
8.根据权利要求6所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：当参数a和b变小时，可调有限光晶格中的各光斑亮点间距会减小；当参数a和b变大时，可调有限光晶格中的各光斑亮点间距会增大。
9.根据权利要求1-3任一项所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：当参数n增大时，可调有限光晶格中的光斑亮点数目将增加；当参数n减小时，可调有限光晶格中的光斑亮点数目将减少；在特定n值时，可产生带缺陷的有限光晶格阵列。
10.根据权利要求1-3任一项所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：所述准直扩束系统按照光路的设置依次包括半波片、偏振分光棱镜、扩束镜；
所述半波片固定在可旋转光学镜架上，通过半波片绕光传播方向旋转改变出射光偏振方向；所述偏振分光棱镜用于反射竖直偏振光透过水平偏振光，通过旋转半波片改变偏振分光棱镜出射光强度；所述扩束镜实现光束的准直和扩束，以匹配空间光调制器的液晶面板；
经所述扩束镜扩束后的激光入射至所述空间光调制器，通过计算机将任意阶交替光学涡旋阵列的全息图加载到空间光调制器。
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