CN205620619U - 一种产生艾里高斯涡旋光束的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种产生艾里高斯涡旋光束的装置，所述装置包括He‑Ne激光器，用于发出高斯光束；准直扩束器，用于对高斯光束进行准直和扩束；起偏器，用于对高斯光束进行处理，得到线偏振高斯光束；分光棱镜，用于对线偏振高斯光束进行分光处理；相位掩膜片，用于提供包含0到255级灰度信息的相位掩膜图对所述高斯光束进行相位调节后以反射方式出射；透镜光阑，用于将分光处理后得到的反射光束经傅里叶变换后得到艾里高斯涡旋光束。由于艾里高斯涡旋光束具备加速弯曲以及螺旋等良好性质，可被广泛应用于实现光通信、医学、化学等领域。所述装置设计简单，生成的光束稳定且特征明显，方案可行性高。

Description

一种产生艾里高斯涡旋光束的装置

技术领域

本实用新型涉及光学领域，尤其涉及一种产生艾里高斯涡旋光束的装置。

背景技术

涡旋光束是一种具有螺旋相位结构的光场，其动力学特性、轨道角动量特性和独特的拓扑结构在光学微操纵、散斑场的研究以及量子通信领域都具有较重要的研究价值，已受到越来越广泛的关注。

目前，艾里光束作为一种新型的光束已经在信息、生物、高能激光物理等多个重要领域探索了它的应用价值。

艾里光束具有无衍射性和自弯曲等许多迷人的特性，然而，本实用新型的发明人发现：艾里光束具有无限的能量，但其在现实实验中难以实现。而艾里高斯光束具有有限的能量及一定传播距离上近似非衍射，然而，目前产生所述艾里高斯光束的装置都具有稳定性差、结构复杂的缺点。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种产生艾里高斯涡旋光束且稳定性好结构简单的装置。

一种产生艾里高斯涡旋光束的装置，其包括：He-Ne激光器，用于发出高斯光束；准直扩束器，用于对高斯光束进行准直和扩束；起偏器，用于对高斯光束进行处理，得到线偏振高斯光束；分光棱镜，用于对线偏振高斯光束进行分光处理；相位掩膜片，用于提供包含0到255级灰度信息的相位掩膜图对所述高斯光束进行相位调节后以反射方式出射；透镜光阑，用于将分光处理后得到的反射光束经傅里叶变换后得到艾里高斯涡旋光束。

在其中一种实施方式中，所述装置进一步包括：图像传感器，用于对艾里高斯涡旋光束进行成像。

在其中一种实施方式中，所述图像传感器为CCD传感器。

在其中一种实施方式中，所述图像传感器为单色图像传感器。

在其中一种实施方式中，所述相位掩膜片包括透光基板及经由蚀刻技术形成在其上的图案。

相对于现有技术，本实用新型实施例提供的产生艾里高斯涡旋光束的装置采用相位掩膜片，提供包含0到255级灰度信息的相位掩膜图对高斯光束进行相位调节后出射，并经傅里叶变换后得到艾里高斯涡旋光束。所述装置结构简单，稳定性好，并为生成艾里高斯涡旋光束提供了一种切实可行的方法，在光通信、医学、化学等领域应用广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型第一实施例提供的一种产生艾里高斯涡旋光束装置的结构及光路示意图；

图2是本实用新型第二实施例提供的一种产生艾里高斯涡旋光束装置的实施流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

请一起参阅图1，本实用新型第一实施例提供一种产生艾里高斯涡旋光束的装置100，所述装置100包括：

He-Ne激光器10，用于发出高斯光束；

准直扩束器20，用于对高斯光束进行准直和扩束；

起偏器30，用于对高斯光束进行处理，得到线偏振高斯光束；

分光棱镜40，用于对线偏振高斯光束进行分光处理；

相位掩膜片50，用于提供包含0到255级灰度信息的相位掩膜图对所述高斯光束进行相位调节后以反射方式出射；以及

透镜光阑60，用于将分光处理后得到的反射光束经傅里叶变换后得到艾里高斯涡旋光束。

所述相位掩膜片50通常包括透光基板及经由蚀刻技术形成在其上的图案。

所述装置100还进一步包括：图像传感器70，用于对艾里高斯涡旋光束进行成像。所述图像传感器70为CCD传感器。在本实例中，所述图像传感器70为单色图像传感器。

本发明实施例依据的原理如下：

He-Ne激光器10产生的高斯光束的近轴波动方程为式子(1)：

$\mathrm{\ψ}(r,0)=C_0\exp (-\frac{r^2}{2w_0^2})---\left(1\right)$

其中C0是常量。

当入射面和出射面为自由空间时，在近轴条件下可以得到惠更斯菲涅尔衍射积分公式如下：

$E(x,y,z)=\frac{ik}{2\mathrm{\π}B}\exp \left(ikz\right)\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{E}_0(x_0,y_0,0)\exp \{-\frac{ik}{2B}\[({x_0}^2+{y_0}^2)-2({\mathrm{xx}}_0+{\mathrm{yy}}_0)+(x^2+y^2)\]\}{\mathrm{dx}}_0{\mathrm{dy}}_0---\left(2\right)$

其中表征近轴特性的传递矩阵为：

$\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& z\\ 0& 1\end{array}\right)$

将艾里高斯光束初始方程：

$E(x,y,0)=A_0{A}_i\left(\frac{x_0}{w_1}\right)\exp \left(\frac{{\mathrm{ax}}_0}{w_1}\right)A_i\left(\frac{y_0}{w_2}\right)\exp \left(\frac{{\mathrm{ay}}_0}{w_2}\right)\exp (-\frac{({x_0}^2+{y_0}^2)}{{w_0}^2}){(\frac{x_0-x_d}{w_1}+i\frac{y_0-y_d}{w_2})}^l---\left(3\right)$

代入方程式(2)，可以得到：

$\begin{array}{c}E(x,y,z)=-\frac{ik}{2\mathrm{\π}B}\∫{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{A}_0{A}_i\left(\frac{x_0}{w_1}\right)\exp \left(\frac{{\mathrm{ax}}_0}{w_1}\right)A_i\left(\frac{y_0}{w_2}\right)\exp \left(\frac{{\mathrm{ay}}_0}{w_2}\right)\exp (-\frac{({x_0}^2+{y_0}^2)}{w_0^2})\\ \exp {(\frac{x_0-x_d}{w_1}+i\frac{y_0-y_d}{w_2})}^l\exp \{-\frac{ik}{2B}\[({x_0}^2+{y_0}^2)-2({\mathrm{xx}}_0+{\mathrm{yy}}_0)+(x^2+y^2)\]\}{\mathrm{dx}}_0{\mathrm{dy}}_0\end{array}---\left(4\right)$

数学推导式(4)得：

$E(x,y,z)=\frac{{\mathrm{ikA}}_0}{2MB}\exp \left(Q\right(x,y,z\left)\right)(P_1+P_2+P_3)---\left(5\right)$

其中：

$\begin{array}{c}Q(x,y,z)=-\frac{k^2}{4{\mathrm{MB}}^2}(x^2+y^2)-i\frac{kD}{2B}(x^2+y^2)+i\frac{k}{8M^{2}B}(\frac{x}{{w_1}^3}+\frac{x}{{w_2}^3})+i\frac{ka}{2MB}(\frac{x}{w_1}+\frac{y}{w_2})+\\ \frac{1}{96M^3}(\frac{1}{{w_1}^6}+\frac{1}{{w_2}^6})+\frac{a}{8M^2}(\frac{1}{{w_2}^4}+\frac{1}{{w_2}^4})+\frac{a^2}{4M}(\frac{1}{{w_1}^2}+\frac{1}{{w_2}^2})\end{array}---\left(6\right)$

$P_1=Ai\left(g\right(x\left)\right)Ai\left(h\right(y\left)\right)\[(\frac{ikx}{2{\mathrm{MBw}}_1}+\frac{1}{8M^2{w_1}^4}-\frac{x_d}{w_1})+i(\frac{iky}{2{\mathrm{MBw}}_2}+\frac{1}{8M^2{w_2}^4}-\frac{y_d}{w_2})\]---\left(7\right)$

$P_2=\frac{1}{2{{\mathrm{Mw}}_1}^2}Ai\left(h\right(y\left)\right)\[aAi\left(g\right(x\left)\right)+{\mathrm{Ai}}^{\′}\left(g\right(x\left)\right)\]---\left(8\right)$

$P_3=\frac{i}{2{{\mathrm{Mw}}_2}^2}Ai\left(g\right(x\left)\right)\[aAi\left(h\right(y\left)\right)+{\mathrm{Ai}}^{\′}\left(h\right(y\left)\right)\]---\left(9\right)$

$M=\frac{1}{{w_0}^2}+\frac{ikA}{2B}---\left(10\right)$

$g\left(x\right)=\frac{ikx}{2{\mathrm{MBw}}_1}+\frac{a}{2{{\mathrm{Mw}}_1}^2}+\frac{1}{16M^2{w_1}^4}---\left(11\right)$

$h\left(y\right)=\frac{iky}{2{\mathrm{MBw}}_2}+\frac{a}{2{{\mathrm{Mw}}_2}^2}+\frac{1}{16M^2{w_2}^4}---\left(12\right)$

其中，式(5)为艾里高斯涡旋光束近轴传播时通过一个光学系统后的一般表达式。

在相位片的设计中，本实施例利用全息计算法将计算的出的艾里高斯涡旋光束与平面波进行干涉分析计算，再运用MATLAB进行数值模拟获取艾里高斯涡旋光束与平面波进行干涉全息图，取层数为-1的干涉光束。

其中(5)式为本实施例的核心，利用(5)式本实施例可以提供可生成不同种类的艾利高斯涡旋光束的相位掩膜片50，将这些不同的相位掩膜片50设置在装置100中便可调制出不同种类的艾里高斯涡旋光束。

需要指明的是，本实施例中，艾里高斯涡旋光束的光场受到横向强度分布因子b的调制：b初始值为0.2mm时，光场强度分布表现为艾里分布，随着参数b的增大，光强主瓣逐渐增强，旁瓣逐渐减弱。

同时，随着参数b不断增大，光场方程趋近于高斯函数，光场强度分布表现为高斯分布，故艾里高斯涡旋光束的光场分布受到参数b调控的变化是：从艾里分布逐渐演变为高斯分布，由此可以说明本实施例可以通过调节参数b来产生不同类型的艾利高斯涡旋光束。

综上所述，本实用新型第一实施例提供的产生艾里高斯涡旋光束的装置100采用相位掩膜片50，提供包含0到255级灰度信息的相位掩膜图对高斯光束进行相位调节后出射，并经傅里叶变换后得到艾里高斯涡旋光束。所述装置100结构简单，稳定性好，并为生成艾里高斯涡旋光束提供了一种切实可行的方法，在光通信、医学、化学等领域应用广泛。

实施例二

请一起参阅图1及图2，本实用新型第二实施例提供一种图1所述产生艾里高斯涡旋光束的装置100的实施流程，所述流程包括以下步骤：

步骤S101，发出高斯光束；

步骤S102，对高斯光束进行准直和扩束；

步骤S103，对准直高斯光束进行处理，得到线偏振高斯光束；

步骤S104，对线偏振高斯光束投射进行分光处理；

步骤S105，提供包含0到255级灰度信息的相位掩膜图对所述高斯光束进行相位调节后以反射方式出射；以及

步骤S106，将分光处理后得到的反射光束经傅里叶变换后得到艾里高斯涡旋光束。

在本实施例中，所述的方法采用实施例一所述的装置100。具体地，包含：He-Ne激光器10、相位掩膜片50、图像传感器70、计算机80。通过图像采集卡将图像数据存入计算机80，从而形成图像采集子系统。

实施时，保证各光学元件水平等高，光路准直；首先，提供相位掩膜片50加载分布因子b＝0.2的相位掩膜图；然后，调节图像传感器(CCD)70的位置观察图像并记录结果。

接着提供相位掩膜片50加载横向强度分布因子分别为b＝0.3，b＝0.5，b＝0.6，b＝0.8，b＝1.0，b＝1.2，b＝1.6，以及b＝2.0的不同相位的掩膜图90，验证时，可以在同等位置上的单色图像传感器(CCD)70观察到不同种类的艾里高斯涡旋光束。

由实验光强图(图未示)可以证明，本实施例产生的是不同种类的艾里高斯涡旋光束，分别对应了b＝0.3，b＝0.5，b＝0.6，b＝0.8，b＝1.0，b＝1.2，b＝1.6，以及b＝2.0的不同相位的掩膜图90。

由此，通过改变艾里高斯涡旋光束的强度因子b，即通过调节参数b来证明实施例一所述的装置100可以产生不同类型的艾里高斯涡旋光束。

综上所述，本实用新型实施例提供的装置100相对现有技术具有下列优点：

首先，所提供的艾里高斯涡旋光束装置100结构简单，稳定性好。

其次，为生成艾里高斯涡旋光束提供了一种切实可行的方法，在光通信、医学、化学等领域应用广泛。

另外，通过改变艾里高斯涡旋光束的强度分布因子b，证明所述装置100能够产生不同种类的艾里高斯涡旋光束。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种产生艾里高斯涡旋光束的装置，其包括：

He-Ne激光器，用于发出高斯光束；

准直扩束器，用于对高斯光束进行准直和扩束；

起偏器，用于对高斯光束进行处理，得到线偏振高斯光束；

分光棱镜，用于对线偏振高斯光束进行分光处理；

相位掩膜片，用于提供包含0到255级灰度信息的相位掩膜图对所述高斯光束进行相位调节后以反射方式出射；以及

透镜光阑，用于将分光处理后得到的反射光束经傅里叶变换后得到艾里高斯涡旋光束。

2.如权利要求1所述的产生艾里高斯涡旋光束的装置，其特征在于，进一步包括：图像传感器，用于对艾里高斯涡旋光束进行成像。

3.如权利要求2所述的产生艾里高斯涡旋光束的装置，其特征在于，所述图像传感器为CCD传感器。

4.如权利要求2所述的产生艾里高斯涡旋光束的装置，其特征在于，所述图像传感器为单色图像传感器。

5.如权利要求1所述的产生艾里高斯涡旋光束的装置，其特征在于，所述相位掩膜片包括透光基板及经由蚀刻技术形成在其上的图案。