CN115032790A - 基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学技术领域，公开了一种基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件的拉盖尔‑高斯涡旋光束产生与探测方法。基于光学衍射理论，利用交叉相位与透镜相位组合衍射器件，当交叉相位的特征参数与入射光束的光束半径相匹配时，就可以在探测平面实现厄米‑高斯和拉盖尔‑高斯光束模态的相互转换；而且通过调整组合衍射器件中透镜的特征参数，可以控制转换后光束的光斑尺寸。基于空间光调制器(SLM)对理论模拟结果进行了实验验证，证实了方法的可行性。本发明将交叉相位与透镜相位组合衍射器件的相位分布以数学形式具体化，可实现拉盖尔‑高斯涡旋光束的产生与探测。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法。
背景技术
涡旋光束携带有轨道角动量，有关于涡旋光束的产生与探测已经成为通信和探测领域一个重要的研究方向。轨道角动量涡旋光束的传统产生方法有螺旋相位板法、π/2转换器法等，传统探测方法主要有干涉法、衍射法等。拉盖尔-高斯光束是其中最早被提出的涡旋光束，它同厄米-高斯光束的相互转换可以由π/2转换器实现，然而π/2转换器法对于光路的准直性要求高，入射光束的光束半径需要同π/2转换器的参数相匹配，并且转换后的光束半径同入射光束的光束半径相同，无法调控。因此，实现拉盖尔-高斯光束与厄米-高斯光束的新型可控模式转换方法对涡旋波束的实际应用中十分重要。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：在现有技术中，需要先将入射光束的光束半径同π/2转换器相匹配，并且转换后的光束半径无法调控。
本发明解决以上问题及缺陷的意义为：在入射光的光束半径确定时，无需对入射光束进行尺寸调控，而是通过对组合衍射器件的参数调控，可以很便捷地控制转换后的拉盖尔-高斯涡旋光束或者厄米-高斯光束的光束半径，从而不但可以简化系统装置，而且为拉盖尔-高斯涡旋光束或者厄米-高斯光束的产生与探测提供了一种便利可控的方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法。本发明将交叉相位与透镜相位组合成新型衍射器件，应用于拉盖尔-高斯光束的产生与探测系统中，并给出了产生与探测方法。
本发明涉及一种基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一，利用CCD相机探测得到入射组合衍射器件前拉盖尔-高斯或者厄米-高斯光束的光束半径wi，确定出射面转换光束的光束半径wo；
步骤二，根据得到的入射光束的光束半径wi和预设的出射光束半径wo，得到特征参数a和b的具体数值、以及交叉相位与透镜组合衍射器件的等效相位函数φ(x,y)的具体数学形式；
步骤三，运用软件编程实现交叉相位与透镜的组合衍射器件的等效相位；
步骤四，基于SLM实现拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测。
结合简单的案例，以证实所提出方法的可行性。
进一步，所述步骤二中，交叉相位与透镜组合衍射器件的等效相位函数φ(x,y)的表达式为：
φ(x,y)＝axy-b(x2+y2)；
其中a为组合衍射器件的等效相位函数中交叉相位的特征参数，b为组合衍射器件的等效相位函数中透镜相位的特征参数，x、y为位置坐标。
参数a由入射组合衍射器件的拉盖尔-高斯或厄米-高斯光束的光束半径wi决定，其关系式为：
参数b由入射光束的光束半径wi和预设的转换后厄米-高斯光束或拉盖尔-高斯光束的出射光束半径wo共同决定，其关系式为：
根据以上三式，结合衍射器件的特性，可以得到组合衍射器件的等效相位函数为：
其中mod函数为求余函数。
需要指出的是，所述步骤四中，探测面与组合衍射器件的距离L满足以下关系：
L＝π/λb，
其中λ为入射光束的波长。
本发明也涉及一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序采用电子设备执行所述基于交叉相位与透镜组合衍射器件拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法。
本发明还涉及一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口，以实施所述基于交叉相位与透镜组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法。
结合上述所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件，以数学形式具体化，并给出了一个简单的可行案例，以实现拉盖尔-高斯涡旋光束的产生与探测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于交叉相位与透镜组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的交叉相位与透镜组合衍射器件的等效相位图。
图3(a)是本发明实施例提供的系统光路图。
图3(b)是拉盖尔-高斯光束经过组合衍射器件在相应探测面处转变为厄米-高斯光束的简化示意图。
图4是本发明实施例提供的厄米-高斯光束与拉盖尔-高斯光束入射交叉相位与透镜组合衍射器件的理论模拟与实验结果图。
图中，HWP:半波片；LP:偏振片；BE:扩束镜；SLM:空间光调制器；BS:分束镜；L:透镜；PC:电脑；AP:光阑；BPA:光束分析仪。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清楚明白，下面将结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1所示，本发明实施例提供的基于交叉相位与透镜组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法，包括：
S101：利用CCD相机探测得到入射组合衍射器件前拉盖尔-高斯或者厄米-高斯光束的光束半径wi，确定出射面转换后光束半径wo；
S102，根据wi和wo，利用权利要求2中相应的数学公式，得到特征参数a和b具体数值以及组合衍射器件的等效相位函数φ(x,y)的数学形式；
S103，运用软件编程实现交叉相位与透镜组合衍射器件的等效相位；
S104，基于SLM对理论模拟的结果进行验证，证实方法的可行性。
本发明实施例提供的S102中，组合衍射器件的等效相位函数φ(x,y)的数学形式为：
φ(x,y)＝axy-b(x2+y2)；
其中a为组合衍射器件的等效相位函数中交叉相位的特征参数，b为组合衍射器件的等效相位函数中透镜相位的特征参数。
参数a由S101中入射组合衍射器件的拉盖尔-高斯或厄米-高斯光束的光束半径wi决定，其关系式为：
a＝±2/wi 2；
参数b由S101中入射光束的光束半径wi和预设的转换后厄米-高斯光束HGm,n或拉盖尔-高斯光束LGp,l的光束半径wo共同决定，其关系式为：
结合以上三式，结合衍射器件的特性，可以得到组合衍射器件的等效相位函数为：
本发明中运用软件编程实现交叉相位与透镜组合衍射器件的调控；结合实验，对理论模拟的结果进行验证，以确定方法的可行性。需要指出的是，探测面与组合衍射器件的距离L满足以下关系：
L＝π/λb。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步的描述。
1.理论使用的计算软件与基本参数
使用的数值软件为Mathworks下的Matlab软件。
入射光束为厄米-高斯光束HG1,2或者拉盖尔-高斯光束LG2,-1；入射光束的光束半径wi＝0.267mm，出射面的光束半径wo＝0.533mm；
2.组合衍射器件的等效相位图
参数a由S101中入射组合衍射器件的拉盖尔-高斯或厄米-高斯光束的光束半径wi决定，其值为：
a＝±2/wi 2＝±28.05mm-2；
参数b由S101中入射光束的光束半径wi和预设的在出射面转换得到的厄米-高斯光束HGm,n或拉盖尔-高斯光束LGl,p光束半径wo共同决定，其值为：
可以得到组合衍射器件的等效相位函数为：
φ(x,y)＝mod[±28.05xy-9.93(x2+y2),2π]。
最终组合衍射器件的等效相位图如图2所示，图片中心处为坐标原点(0,0)，组合衍射器件在不同位置处的相位分布遵照等效相位函数。
3.系统光路与组合衍射器件法的理论与实验结果
实现系统光路如图3(a)和3(b)所示，其中图3(a)中Laser为高斯基模激光器，HWP是半波片，LP是偏振片，BE为光束放大器，BS是分束镜，SLM1和SLM2代表两台空间光调制器，L1和L2表示两个透镜，AP是光阑，BPA是光束分析仪，其中利用SLM1可以将高斯基模转换为厄米米-高斯光束或拉盖尔-高斯光束，将组合衍射器件的等效相位图加载到SLM2，在探测面利用BPA测量相应的光斑分布，图3(b)是拉盖尔-高斯光束经过组合衍射器件在相应探测面处转变为厄米-高斯光束的简化示意图。厄米-高斯光束HG1,2或拉盖尔-高斯光束LG2,-1在经过交叉相位与透镜组合衍射器件前后的理论与实验结果如图4所示，其中(a)、(c)分别为初始光束强度分布的理论模拟结果和实验结果；(b)、(d)为经过组合衍射器件后在相应探测面处光束强度分布的模拟结果和实验结果，图4左半部分为相位分布为φ(x,y)＝mod[28.05xy-9.93(x2+y2),2π]的组合衍射器件时相对应的理论和实验结果，图4右半部分为相位分布为φ(x,y)＝mod[-28.05xy-9.93(x2+y2),2π]的组合衍射器件时相对应的理论和实验结果。光束的波长为632.8nm，探测面与组合衍射器件的距离L＝500mm。
综上所述，本发明提出了一种基于交叉相位与透镜组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法。理论上得到了一种基于交叉相位和透镜组合衍射器件的实现厄米-高斯光束或拉盖尔-高斯光束的相互转换方法，并利用编程实现了组合衍射器件的等效相位函数分布，并将其加载到SLM，结合实验验证了方法的可行性。
应当注意，本发明的实施实施方式可以通过硬件、软件或软件和硬件的组合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S101，利用CCD相机探测得到入射组合衍射器件前拉盖尔-高斯或者厄米-高斯光束的光束半径wi，确定出射面转换后光束半径wo；
S102，根据得到的入射光束的光束半径wi和预设的出射光束半径wo，得到特征参数a和b具体数值以及组合衍射器件的等效相位函数φ(x,y)的数学形式；
S103，运用软件编程实现交叉相位与透镜组合衍射器件的等效相位；
S104，基于SLM实现拉盖尔-高斯涡旋光束的产生与探测。
2.如权利要求1所述基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法，其特征在于，所述组合衍射器件的等效相位函数的数学形式为：
φ(x,y)＝axy-b(x2+y2)；
其中a为组合衍射器件的等效相位函数中交叉相位的特征参数，b为组合衍射器件的等效相位函数中透镜相位的特征参数，x、y为位置坐标；
参数a由入射组合衍射器件的拉盖尔-高斯或厄米-高斯光束的光束半径wi决定，其关系式为：
参数b由入射光束的光束半径wi和预设的转换后厄米-高斯光束或拉盖尔-高斯光束的出射光束半径wo共同决定，其关系式为：
3.如权利要求2所述基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法，其特征在于，得到组合衍射器件的等效相位函数为：
其中mod函数为求余函数。
4.如权利要求1所述基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法，其特征在于，所述步骤s104中，探测面与组合衍射器件的距离L满足以下关系：
其中λ为入射光束的波长。
5.一种接收用户输入程序储存介质，所储存的计算机程序使电子设备，执行权利要求1～4任意一项中所述基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法。
6.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求1～4任意一项所述的基于交叉相位与透镜相位组合衍射器件的拉盖尔-高斯涡旋光束产生与探测方法。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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