一种分数阶完美涡旋光束的产生装置及产生方法

摘要

一种分数阶完美涡旋光束的产生装置及产生方法，所述装置包括一连续波激光器；其发出光束的前进方向设有反射镜，经反射镜反射的光束前进方向设有针孔滤波器、凸透镜I、起偏器和分束立方体；经分束立方体后的反射光前进方向上设有反射式空间光调制器，经其反射后的光束经过经分束立方体，其前进方向上设有检偏器、小孔光阑、凸透镜II和CCD相机；所述方法为，利用计算机生成含有锥透镜透过率函数和分数阶涡旋光束与平面波干涉的光强图，写入反射式空间光调制器；打开连续波激光器电源，光在装置内进行反射，准直后，衍射再现等，生成分数阶完美涡旋光束；本发明能够实现参数可实时在线自由调控的分数阶完美涡旋光束，可广泛应用于微粒光操纵、光学测试等领域。

权利要求

1.一种分数阶完美涡旋光束的产生方法，该产生方法所利用的装置包括一连续波激光器(100)，所述连续波激光器(100)发出光束的前进方向设有反射镜(110)，经反射镜(110)反射后的光束前进方向依次设有针孔滤波器(120)、凸透镜I(130)、起偏器(141)和分束立方体(150)；经分束立方体(150)后的光束分为两束，其中一束为反射光，一束为透射光；在反射光前进方向上设有反射式空间光调制器(200)，经反射式空间光调制器(200)反射后产生的光束经过经分束立方体(150)后，其前进方向上依次设有检偏器(142)、小孔光阑(210)、凸透镜II(131)和CCD相机(300)；所述的反射式空间光调制器(200)、CCD相机(300)分别与计算机(400)连接；所述的针孔滤波器(120)与凸透镜I(130)间的距离为凸透镜I(130)的焦距；所述的反射式空间光调制器(200)置于凸透镜II(131)的前焦平面上；所述的CCD相机(300)置于凸透镜II(131)的后焦平面上；

其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、利用计算机(400)生成含有锥透镜透过率函数和分数阶涡旋光束与平面波干涉的光强图；具体过程如下：平面波的电场表示为：

Ep＝E0exp(-ikz)

其中，E0表示振幅强度，k表示波数，z表示传播距离；

垂直入射到锥透镜上的涡旋光束的电场表示为：

其中，A0为振幅常数，w0为束腰半径，m为拓扑荷数，取分数；j为虚数单位；

锥透镜的复振幅透过率函数为：

式中，n为锥透镜材料折射率，α为锥透镜的锥角，即锥透镜锥面与底平面的夹角；k为波数，R为锥透镜光瞳半径；

涡旋光束经过锥透镜后与平面波干涉的复振幅分布为：

步骤二、结合计算全息技术，利用计算机(400)将复振幅E1的光强图写入反射式空间光调制器(200)；

步骤三、打开连续波激光器(100)电源，连续波激光器(100)发出的光束被反射镜(110)反射后，进入针孔滤波器(120)、然后经凸透镜I(130)准直，准直后的光束经起偏器(141)后变为线偏振光，照射在分束立方体(150)上；经分束立方体(150)后的光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；所述的反射光束照射在反射式空间光调制器(200)上；

步骤四、照射在反射式空间光调制器(200)上的光束用来衍射再现分数阶贝塞尔-高斯光束；衍射再现的贝塞尔-高斯光束经过分束立方体(150)、检偏器(142)和小孔光阑(210)后，照射在凸透镜II(131)上进行傅里叶变换生成分数阶完美涡旋光束；

步骤五、所述的分数阶完美涡旋光束在CCD相机中成像后，图像进入计算机(400)进行后续分析；

步骤六、根据计算机分析结果，所产生的完美涡旋光束亮环半径不随分数阶拓扑荷值m的改变而改变；通过调节步骤一中锥透镜材料折射率n或锥角α的数值，可以调节分数阶完美涡旋光束亮环半径。

说明书

一种分数阶完美涡旋光束的产生装置及产生方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微粒光操纵和光学测试领域，具体的说是一种分数阶完美涡旋光束的产生装置及产生方法。

背景技术

[0002] 涡旋光束在光学诱捕、操纵微小粒子等方面有着广泛的应用。成为近年来信息光学领域一个非常重要的研究热点。2004年，M.V. Berry首次系统、全面的阐述了分数阶光学涡旋的理论基础【J Opt a-Pure Appl Op, 2004, 62: 259】；随后，分数阶涡旋光束得到了实验验证【New J Phys, 2004, 61: 71】。分数阶涡旋光束可携带更多信息量、且能提供更精细化的微粒操作，成为涡旋光学领域众多研究者竞相研究的热点课题。

[0003] 目前产生涡旋光束的方法很多，主要有模式变换法、螺旋相位板法及基于空间光调制器的计算全息法等。这些方法产生的涡旋光束亮环半径随拓扑荷的增大而增加，这种特性使得涡旋光束很难大规模耦合到同一根光纤中。2013年，Andrey S. Ostrovsky等人提出了完美涡旋的概念，该涡旋光束亮环半径不依赖于拓扑荷值【Opt. Lett. 38, 534 2013】，但该方法伴随完美涡旋光束均会产生额外的杂散光环。2015年，Pravin Vaity等通过对贝塞尔-高斯光束做傅里叶变换，从而获得无额外光环的整数阶完美涡旋【Opt. Lett., 40, 5972015】。最近，发明专利“产生完美涡旋阵列的二维编码相位光栅”（公开号为104808272A，公开日为2015.07.29），介绍了一种产生完美涡旋的二维编码相位光栅，通过该二维编码相位光栅的调制，在其傅立叶变换面上可以同时产生多个携带不同拓扑荷的完美涡旋阵列。但是上述所有方案所产生的涡旋光束均为整数阶完美涡旋，而如何产生分数阶完美涡旋光束是该领域面临的一个亟待解决的难题。

发明内容

[0004] 本发明目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种分数阶完美涡旋光束的产生装置及产生方法，能够实现参数可实时在线自由调控的分数阶完美涡旋光束。

[0005] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

[0006] 一种分数阶完美涡旋光束产生装置，包括一连续波激光器；所述连续波激光器发出光束的前进方向设有反射镜，经反射镜反射后的光束前进方向依次设有针孔滤波器、凸透镜I、起偏器和分束立方体；经分束立方体后的光束分为两束，其中一束为反射光，一束为透射光；在反射光前进方向上设有反射式空间光调制器，经反射式空间光调制器反射后产生的光束经过经分束立方体后，其前进方向上依次设有检偏器、小孔光阑、凸透镜II和CCD相机；

[0007] 所述的反射式空间光调制器、CCD相机分别与计算机连接；所述的针孔滤波器与凸透镜I间的距离为凸透镜I的焦距；所述的反射式空间光调制器置于凸透镜II的前焦平面上；所述的CCD相机置于凸透镜II的后焦平面上。

[0008] 利用所述分数阶完美涡旋光束产生装置产生分数阶完美涡旋光束的方法，包括以下步骤:

[0009] 步骤一、利用计算机生成含有锥透镜透过率函数和分数阶涡旋光束与平面波干涉的光强图；具体过程如下：

[0010] 平面波的电场表示为：

[0011]

[0012] 其中，E0表示振幅强度，k表示波数，z表示传播距离；

[0013] 垂直入射到锥透镜上的涡旋光束的电场表示为：

[0014]

[0015] 其中， 为振幅常数， 为束腰半径，m为拓扑荷数，取分数；j为虚数单位；

[0016] 锥透镜的复振幅透过率函数为：

[0017]

[0018] 式中，n为锥透镜材料折射率，a为锥透镜的锥角，即锥透镜锥面与底平面的夹角；k为波数，R为锥透镜光瞳半径；

[0019] 涡旋光束经过锥透镜后与平面波干涉的复振幅分布为：

[0020] ；

[0021] 步骤二、结合计算全息技术，利用计算机将复振幅E1的光强图写入反射式空间光调制器；

[0022] 步骤三、打开连续波激光器电源，连续波激光器发出的光束被反射镜反射后，进入针孔滤波器、然后经凸透镜I准直，准直后的光束经起偏器后变为线偏振光，照射在分束立方体上；经分束立方体后的光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；所述的反射光束照射在反射式空间光调制器上；

[0023] 步骤四、照射在反射式空间光调制器上的光束用来衍射再现分数阶贝塞尔-高斯光束；衍射再现的贝塞尔-高斯光束经过分束立方体、检偏器及小孔光阑后，照射在凸透镜II上进行傅里叶变换生成分数阶完美涡旋光束；

[0024] 步骤五、所述的分数阶完美涡旋光束在CCD相机中成像后，图像进入计算机进行后续分析；

[0025] 步骤六、根据计算机分析结果，所产生的完美涡旋光束亮环半径不随分数阶拓扑荷值m的改变而改变；通过调节步骤一中锥透镜材料折射率n或锥角a的数值，可以调节分数阶完美涡旋光束亮环半径。

[0026] 有益效果：与现有技术相比，本发明分数阶完美涡旋光束产生装置装置和方法能够实现参数可实时在线自由调控的分数阶完美涡旋光束；本发明装置具有原理简洁、成本低廉、参数可实时在线调节、易于操作的优点；可广泛应用于微粒光操纵、光学测试等领域。

附图说明

[0027] 图1是本发明分数阶完美涡旋光束产生装置的装置原理图；图中标记：100、激光器，110、反射镜，120、针孔滤波器，130、凸透镜I，131、凸透镜II，141、起偏器，142、检偏器，150、分束立方体，200、反射式空间光调制器，210、小孔光阑， 300、CCD相机，400、计算机；

[0028] 图2为计算机记录的一组分数阶完美涡旋光束强度图。

具体实施方式

[0029] 如图所示，一种分数阶完美涡旋光束产生装置，包括一连续波激光器100；所述连续波激光器100发出光束的前进方向设有反射镜110，经反射镜110反射后的光束前进方向依次设有针孔滤波器120、凸透镜I130、起偏器141和分束立方体150；经分束立方体150后的光束分为两束，其中一束为反射光，一束为透射光；在反射光前进方向上设有反射式空间光调制器200，经反射式空间光调制器200反射后产生的光束经过经分束立方体150后，其前进方向上依次设有检偏器142、小孔光阑210、凸透镜II131和CCD相机300；

[0030] 所述的反射式空间光调制器200、CCD相机300分别与计算机400连接；所述的针孔滤波器120与凸透镜I130间的距离为凸透镜I130的焦距；所述的反射式空间光调制器200置于凸透镜II131的前焦平面上；所述的CCD相机300置于凸透镜II131的后焦平面上。

[0031] 利用所述分数阶完美涡旋光束产生装置产生分数阶完美涡旋光束的方法，包括以下步骤:

[0032] 步骤一、利用计算机400生成含有锥透镜透过率函数和分数阶涡旋光束与平面波干涉的光强图；具体过程如下：

[0033] 平面波的电场表示为：

[0034]

[0035] 其中，E0表示振幅强度，k表示波数，z表示传播距离；

[0036] 垂直入射到锥透镜上的涡旋光束的电场表示为：

[0037]

[0038] 其中， 为振幅常数， 为束腰半径，m为拓扑荷数，取分数；j为虚数单位；

[0039] 锥透镜的复振幅透过率函数为：

[0040]

[0041] 式中，n为锥透镜材料折射率，a为锥透镜的锥角，即锥透镜锥面与底平面的夹角；k为波数，R为锥透镜光瞳半径；

[0042] 涡旋光束经过锥透镜后与平面波干涉的复振幅分布为：

[0043] ；

[0044] 步骤二、结合计算全息技术，利用计算机400将复振幅E1的光强图写入反射式空间光调制器200；

[0045] 步骤三、打开连续波激光器100电源，连续波激光器100发出的光束被反射镜110反射后，进入针孔滤波器120、然后经凸透镜I130准直，准直后的光束经起偏器141后变为线偏振光，照射在分束立方体150上；经分束立方体150后的光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；所述的反射光束照射在反射式空间光调制器200上；

[0046] 步骤四、照射在反射式空间光调制器200上的光束用来衍射再现分数阶贝塞尔-高斯光束；衍射再现的贝塞尔-高斯光束经过分束立方体150、检偏器142和小孔光阑210后，照射在凸透镜II131上进行傅里叶变换生成分数阶完美涡旋光束；

[0047] 步骤五、所述的分数阶完美涡旋光束在CCD相机中成像后，图像进入计算机400进行后续分析；

[0048] 步骤六、根据计算机分析结果，所产生的完美涡旋光束亮环半径不随分数阶拓扑荷值m的改变而改变；通过调节步骤一中锥透镜材料折射率n或锥角a的数值，可以调节分数阶完美涡旋光束亮环半径。实施例

[0049] 如附图1所示，一种分数阶完美涡旋光束的产生装置，包括一连续波激光器100，该实施例中连续波激光器100选择波长为632.8nm，功率为3mW的He-Ne激光器；该连续波激光器100发出的光束被反射镜110反射后进入空间滤波器120，然后经凸透镜I 130准直，准直后的光束经起偏器141后变为线偏振光，照射在分束立方体150上；经分束立方体150后，反射光照射在反射式空间光调制器200上；

[0050] 经分束立方体150后的光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；反射光照射在反射式空间光调制器200上，经反射式空间光调制器200反射后产生分数阶贝塞尔-高斯光束，分数阶贝塞尔-高斯光束经过分束立方体150、检偏器142后照射在小孔光阑210上，经过小孔光阑210后的分数阶贝塞尔-高斯光束经凸透镜II 131傅里叶变换产生分数阶完美涡旋光束，分数阶完美涡旋光束在CCD相机300中成像；后存储进计算机400进行分析；

[0051] 所述的空间滤波器120与凸透镜I 130间的距离为凸透镜I 130的焦距；所述的反射式空间光调制器200置于凸透镜II 131的前焦平面上；所述的CCD相机300置于凸透镜II 131的后焦平面上；所述的反射式空间光调制器200、CCD相机300分别与计算机400相连；

[0052] 所述的反射式空间光调制器200的作用是产生分数阶贝塞尔-高斯光束；所述的起偏器141和检偏器142用于调节涡旋光束的光束质量；所述的小孔光阑210的作用是选择反射式空间光调制器200衍射光场的一级衍射光束；所述的凸透镜II 131的作用是对分数阶贝塞尔-高斯光束进行傅里叶变换。

[0053] 一种分数阶完美涡旋光束的产生方法，具体步骤如下：

[0054] 步骤一、通过利用计算机400产生锥透镜透过率函数和分数阶涡旋光束与平面波干涉的光强图，具体过程如下：

[0055] 平面波的电场表示为：

[0056]

[0057] 其中，E0表示振幅强度，k表示波数，z表示传播距离。

[0058] 垂直入射到锥透镜上的涡旋光束的电场表示为：

[0059]

[0060] 其中， 为振幅常数， 为束腰半径，m为拓扑电荷数，取分数，j为虚数单位；

[0061] 锥透镜的复振幅振幅透过率为：

[0062]

[0063] 式中，n为锥透镜材料折射率，a为锥透镜的锥角，即锥透镜锥面与底平面的夹角；k为波数，R为锥透镜光瞳半径；

[0064] 涡旋光束经过锥透镜后与平面波干涉的复振幅分布为：

[0065]

[0066] 步骤二、结合计算全息技术，利用计算机400将复振幅E1的光强图写入反射式空间光调制器200；

[0067] 步骤三、打开连续波激光器100电源，连续波激光器100发出的光束被全反镜110反射后，进入针孔滤波器120、然后经凸透镜I 130准直，准直后的光束经起偏器141后变为线偏振光，照射在分束立方体150上；经分束立方体150后的光束被分为两束，一路为反射光，一路为透射光；所述的反射光束照射在反射式空间光调制器200上；

[0068] 步骤四、照射在反射式空间光调制器200上的光束用来衍射再现分数阶贝塞尔-高斯光束；衍射再现的贝塞尔-高斯光束经过分束立方体150、检偏器142与小孔光阑210后，照射在凸透镜II 131上进行傅里叶变换生成分数阶完美涡旋光束；

[0069] 步骤五、所述的分数阶完美涡旋光束在CCD相机300中成像后，图像存入计算机400进行后续分析；

[0070] 步骤八、图2为计算机记录的一组分数阶完美涡旋光束强度图，图中拓扑荷值m=2.1 3.0, 间隔为0.1阶；由图2中涡旋光束亮环缺口的变化可以看出，产生的分数阶完美涡~
旋光束非常理想；此外，通过调节步骤一中锥透镜材料折射率n或锥角a的数值，可以调节分数阶完美涡旋光束亮环半径。本发明装置和方法能产生分数阶完美涡旋光束，并且具有原理简洁、结构简单，可在线调控，易于操作的优点。