CN202995142U

CN202995142U - 一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生及测量装置

Info

Publication number: CN202995142U
Application number: CN 201220702065
Authority: CN
Inventors: 朱时军; 王飞; 蔡阳健; 刘显龙
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2022-12-18

Abstract

本实用新型公开了一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生及测量装置，采用两束偏振垂直的激光束合成，经过旋转毛玻璃片调控相干性后，再通过高斯振幅滤波片和螺旋相位板产生随机电磁高斯谢尔模涡旋光束。本实用新型提供的光束产生和测量装置结构简单，通过薄透镜聚焦到旋转毛玻璃片上的光斑大小，可以调控产生随机电磁蜗旋光束的相干性，可调节光束在焦点处的光强从空心分布、平顶分布和高斯分布连续变化，为实际需求提供了更多样的选择。该装置简化了相关通过计算机图像编程以及空间光调制器转换产生涡旋光束，降低了产品的成本，提供的随机电磁高斯谢尔模涡旋光束在生物医学、激光加工等方面具有重要的应用前景。

Description

一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生及测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生及测量装置，是一种用两束偏振垂直的激光束合成，用毛玻璃片调控相干性、用高斯振幅滤波片和螺旋相位板产生随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的方法。

背景技术

近年来，随机电磁光束由于其独特的偏振特性和相干特性，引起了很大的关注，这种光束可用空间频域

阶交叉光谱密度矩阵表征。由于光场相干性的影响，随机电磁光束的偏振度在传输过程中会发生变化，随机电磁高斯谢尔模光束作为标量高斯谢尔模光束的扩展，是一种典型的随机电磁光束，其实验产生和相关研究得到广泛关注。随机电磁高斯谢尔模光束在自由光通讯、生物皮肤、激光谐振腔、正负折射率介质、非线性介质、激光惯性约束核聚变、复杂光学系统等领域得到了广泛应用。研究发现随机电磁高斯谢尔模光束的偏振度和相干度会随传输介质的特性不同发生变化，在自由光通讯，医疗以及信息传输处理等方面有潜在应用价值。

此外，具有螺旋相位的光束携带引起了人们的广泛关注。这种光束中心有一个奇点，引起光场中心为暗点并携带有轨道角动量，在冷原子、微粒捕获等领域有重要应用。由于这种光束携带有轨道角动量，可以用作信息编码载体。Swartzlander和其合作者理论和实验研究了螺旋关联奇点和时域关联部分相干涡旋光束[G. A. Swartzlander, Jr. and J. Schmit, “Temporal Correlation Vortices and Topological Dispersion,” Phys. Rev. Lett. 93, 093901 (2004)]。近来，随机电磁涡旋光束（也可称为：部分相干部分偏振涡旋）在自由空间以及湍流大气中的传输特性研究[G. Gbur and R. K. Tyson, “Vortex beam propagation through atmospheric turbulence and topological charge conservation,” J. Opt. Soc. Am. A 25, 225-230 (2008)]也受到了关注。而随机电磁涡旋光束的产生装置未见报道。

现有技术中产生涡旋光束的方法比较繁琐，如中国实用新型专利CN 202110378 U公开了一种采用计算全息和空间光调制器产生螺旋式涡旋光束的装置，其器材、技术要求以及成本相对较高。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，提出一种结构简单，产品成本较低的随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生及测量装置。

实现本实用新型目的的技术方案是提供一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生装置，它包括第一随机光束发生器、第二随机光束发生器、合束镜及高斯涡旋转化器；所述的第一随机光束发生器由第一氦氖激光器发出的激光束依次经过第一可调衰减片、第一薄透镜后聚焦到第一毛玻璃片上，产生一束具有高斯统计关联的随机光束；所述的第二随机光束发生器由第二氦氖激光器发出的激光束依次经过第二可调衰减片、第二薄透镜后聚焦到第二毛玻璃片产生另一束具有高斯统计关联的随机光束；所述的第一氦氖激光器和第二氦氖激光器发出的两束激光为相互垂直的偏振光束；

由第一随机光束发生器和第二随机光束发生器产生的两束具有高斯统计关联的随机光束经过合束镜合束为随机电磁光束，再经过高斯涡旋转化器产生随机电磁高斯谢尔模涡旋光束；所述的高斯涡旋转换器包括准直透镜、高斯振幅滤波片和高斯螺旋光束产生器。

本实用新型所述的第一氦氖激光器和第二氦氖激光器分别经过线偏振器产生两束相互垂直的的线偏振光。

所述的高斯螺旋光束产生器为螺旋相位板或为用全息图加载的空间光调制器。

本实用新型的技术方案还提供一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的测量装置，将待测量随机电磁高斯谢尔模涡旋光束经过薄透镜聚焦，在薄透镜的焦点处由CCD对该随机电磁蜗旋光束进行测量。

与现有技术相比，本实用新型的有益特点是：将激光束经过旋转毛玻璃片调控相干性后，再通过高斯振幅滤波片和螺旋相位板产生随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的方法，提供的光束产生和测量装置结构简单，通过薄透镜聚焦到旋转毛玻璃片上的光斑大小，可以调控产生随机电磁蜗旋光束的相干性，可调节光束在焦点处的光强从空心分布、平顶分布和高斯分布连续变化，为实际需求提供了更多样的选择，光束的光斑大小可以通过高斯振幅滤波片来控制；涡旋光束的拓扑荷数可通过选用不同拓扑荷数的螺旋相位板来调控；本方法大大简化了相关通过计算机图像编程以及空间光调制器转换产生涡旋光束。这种光束特别是在光束操控粒子方面，这种光强分布可控的光束可以用来捕获两种不同的粒子：折射率大于1的微粒和在液体中的空心气泡球微粒。此外，平顶的光强分布的光束在材料打孔和烧蚀中引起的孔表面不光滑，平整效应比传统的高斯光束要小的多。因此，本实用新型提供的随机电磁高斯谢尔模涡旋光束在生物医学、激光加工等方面有重要的应用。

附图说明

图1本实用新型实施例提供的一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生及测量装置的结构示意图；

图中：1、第一氦氖激光器；2、第一可调衰减片；3、第一薄透镜；4、第一毛玻璃片；5、合束镜；6、第二氦氖激光器；7、第二可调衰减片；8、第二薄透镜；9、第二毛玻璃片；10、准直透镜；11、高斯振幅滤波片；12、螺旋相位板；13、薄透镜；14、CCD；

图2是本实用新型实施例提供的一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生及测量装置产生的随机电磁高斯光束光强以及相干长度测量拟合结果图；

图3是本实用新型实施例提供的一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生及测量装置，在相干长度分别为

毫和

毫米时，测量装置测得在不同偏振度情况下的随机电磁高斯谢尔模涡旋光束在焦点处的光强分布以及理论计结果对照图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型进一步描述。

实施例1

参见附图1，它是本实施例提供的一种产生和测量随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的装置，第一随机光束发生器、第二随机光束发生器、合束镜5以及高斯涡旋转化器；所述的第一随机光束发生器由第一氦氖激光器1发出的激光束依次经过第一可调衰减片2、第一薄透镜3 后聚焦到第一毛玻璃片4上，产生一束具有高斯统计关联的随机光束；所述的第二随机光束发生器由第二氦氖激光器6发出的激光束依次经过第二可调衰减片7、第二薄透镜8后聚焦到第二毛玻璃片9产生另一束具有高斯统计关联的随机光束；所述的第一氦氖激光器1和第二氦氖激光器6发出的两束激光为相互垂直的偏振光束，可以采用经过线偏振器产生两束相互垂直的的线偏振光。

由第一随机光束发生器和第二随机光束发生器产生的两束具有高斯统计关联的随机光束经过合束镜5合束为随机电磁光束，再经过高斯涡旋转化器产生随机电磁高斯谢尔模涡旋光；在本实施例中，高斯涡旋转换器由准直透镜10、高斯振幅滤波片11和螺旋相位板12产生高斯涡旋光束，所述的螺旋相位板12也可采用全息图加载的空间光调制器。

将产生的随机电磁高斯谢尔模涡旋光束通过薄透镜13聚焦，在薄透镜焦点处利用CCD14对该随机电磁涡旋光束进行测量。

本方案中，调节第一薄透镜、第二薄透镜聚焦到第一毛玻璃片和第二毛玻璃片上的光斑大小，控制出射光的相干性。选用不同尺寸的高斯振幅滤波片，可控制涡旋光束的尺寸。

由本实施例提供的一种产生和测量随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的装置，其工作原理为：随机电磁涡旋光束在笛卡尔坐标系下的电场的在

源平面表达式为：

（1）

式中，

为电场平均振幅，l为光束的拓扑数。

随机电磁光束二阶关联特性可以由如下

阶交叉光谱密度矩阵表征：

（2）

式中，

。随机电磁光束在源场可以表示为：

（3）

以电磁高斯谢尔模光束为例，它的统计分布可以写成下面形式：

（4）

分别为光谱在x和y方向的半宽度，

是光场x和y方向上的自关联宽度以及互关联宽度。

是电场x和y方向上的自关联系数，并满足

。

，。是电场x和y方向相位差。

随机电磁光束偏振度可以表示为下面形式：

（5）

式中，“Tr”和“Det”分别为交叉光谱密度矩阵的迹和行列式。

随机电磁高斯谢尔模涡旋光束经过ABCD旁轴光学系统后的的交叉谱密度表达式为：可以用广义Collins积分方程表征：

（6）

式中，

分别是接收面上的直角坐标矢量。A，B，C，D 是光学系统的传输矩阵。

是波数，是波长。为方便积分，我们用如下坐标转换：

（7）

经过代换，接收面上的交叉谱密度函数为：

（8）

式中，

（9）

其中，可以表示为它们的傅里叶形式：

（10）

（11）

,和

分别是

和

的傅里叶变换。

经过变换，接收面上的交叉谱密度函数可以写成下面形式:

（12）

式中，

为狄拉克函数。经过积分，上式简化为下面形式：

（13）

式中，

为的傅里叶变换，表示如下：

（14）

可以看出：

。实际情况下，我们一般研究随机电磁涡旋光束在出射面上的光强分布，如:

，此时，

。上式可写成下面形式：

（15）

为方便分析，当

时，在柱坐标下，随机电磁高斯谢尔模涡旋光束光强分布可表示为：

（16）

式中，

,,

是径向坐标。取拓扑荷

螺旋相位板，用薄透镜13对电磁高斯谢尔模涡旋光束聚焦，在焦点处对上式数值计算，便可以得到涡旋光束的强度分布。

参见附图2，它是本实施例涉及测量的随机电磁高斯谢尔模光束的光强分布图(图2(a))以及光强关联(四阶关联)(图2(b)～(c))分布结果。在高斯振幅滤波片11后的随机电磁高斯谢尔模光束采用2f成像装置测量其四阶关联，并对结果进行高斯拟合，可得到光束的相干宽度。根据公式（4），

毫米，

毫米。用关联器探头单路横向扫描光场记录光子数，高斯拟合可得到光场的束腰宽度。由于采用相同的高斯振幅滤波片，本实施例得到

毫米。从图2结果可以看出，产生光束的光强分布和光强关联分布都符合高斯分布，与理论模型能很好的符合。

参见附图3，它是本实施例涉及在相干长度分别为

毫米和

毫米时，测得在不同偏振度情况下的随机电磁高斯谢尔模涡旋光束在焦点处的光强分布图。图中，P代表随机电磁高斯谢尔模光束光源处的偏振度，A _x 和A _y 分别表示x方向偏振的电场的振幅和y方向偏振的电场的振幅。从图3可以看到，焦点处的光强分布和光束的偏振度密切相关。当偏振度为P=1(A _x=1, A _y=0)时，在焦点处的光强分布参见图3(a)为近似空心；当偏振度为P=0(A _x=A _y=1)时，在焦点处的光强分布参见图3(b)；当偏振度为P=0.6(A _x=0.5, A _y=1)时，在焦点处的光强分布转变为平顶分布，参见图3(c)；当偏振度为P=1(A _x=0, A _y=1)时，在焦点处光强分布转变为高斯分布，参见图3(d)。由附图3中的各图可以看出，随着偏振度的变化，焦点处光强分布是缓慢变化的。因此本实施例产生的随机电磁高斯谢尔模涡旋光束可以通过调节光源偏振度来调控焦点处光斑的形貌。同时，测量结果与理论计算结果也吻合得比较好。

Claims

1.一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生装置，其特征在于：它包括第一随机光束发生器、第二随机光束发生器、合束镜(5)及高斯涡旋转化器；所述的第一随机光束发生器由第一氦氖激光器(1)发出的激光束依次经过第一可调衰减片(2)、第一薄透镜(3)后聚焦到第一毛玻璃片(4)上，产生一束具有高斯统计关联的随机光束；所述的第二随机光束发生器由第二氦氖激光器(6) 发出的激光束依次经过第二可调衰减片(7)、第二薄透镜(8)后聚焦到第二毛玻璃片(9) 产生另一束具有高斯统计关联的随机光束；所述的第一氦氖激光器(1)和第二氦氖激光器(6) 发出的两束激光为相互垂直的偏振光束；

由第一随机光束发生器和第二随机光束发生器产生的两束具有高斯统计关联的随机光束经过合束镜(5)合束为随机电磁光束，再经过高斯涡旋转化器产生随机电磁高斯谢尔模涡旋光束；所述的高斯涡旋转换器包括准直透镜(10)、高斯振幅滤波片(11)和高斯螺旋光束产生器。

2.根据权利要求1所述的一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生装置，其特征在于：所述的第一氦氖激光器(1)和第二氦氖激光器(6)分别经过线偏振器产生两束相互垂直的的线偏振光。

3.根据权利要求1所述的一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生装置，其特征在于：

所述的高斯螺旋光束产生器为螺旋相位板(12)。

4.根据权利要求1所述的一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的产生装置，其特征在于：所述的高斯螺旋光束产生器为用全息图加载的空间光调制器。

5.一种随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的测量装置，其特征在于：包括聚焦待测量随机电磁高斯谢尔模涡旋光束的薄透镜(13)，位于薄透镜(13)的焦点处的用于测量该随机电磁蜗旋光束的CCD(14)。