通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法技术

本发明专利技术公开了通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，在涡旋光束中引入正切相位，其相位表达式为其中l为正切相位涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，k为分开因子，至此就实现了涡旋光束光强分布的离散化；本发明专利技术方法能够将传统涡旋光束的光强分布离散化，即一束涡旋光束由若干个离散的子光束组成，同时不改变涡旋光束的基本特性。操作简单，能够扩展涡旋光束的应用潜能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电
，具体涉及一种通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法。
技术介绍
“涡旋光束”这一专业术语是由Coullet等人在1989年第一次提出的。与常见的平面光束，球面光束等不同，涡旋光束以其独特的螺旋型相位分布结构而受到深入的研究。涡旋光束由于携带有确定大小的轨道角动量，因此被广泛的用在光镊系统中用来实现对微粒的旋转操作。涡旋光束的光强是呈现暗中空圆环分布的，在旋转微粒操作时，要将涡旋光束准确放在微粒所在的位置处才能实现操作。因此为了提高对微粒的操作效率，我们需要将强度分布为连续的暗中空涡旋光束加以改进，使在光镊系统中不需要精确对准便可以实现对微粒的旋转操作是值得探讨研究的。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，能够将涡旋光束光强分布离散化。实现本专利技术的技术方案如下：一种通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，具体为将涡旋光束引入正切相位，其相位表达式为其中l为正切相位涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，k为分开因子，至此就实现了涡旋光束光强分布的离散化。进一步地，所述正切相位涡旋光束是通过纯相位反射式液晶空间光调制器对高斯光束进行相位调制产生的。有益效果：本专利技术方法能够将传统涡旋光束的光强分布离散化，即一束涡旋光束由若干个离散的子光束组成，同时不改变涡旋光束的基本特性。操作简单，能够扩展涡旋光束的应用潜能。附图说明图1(a)为传统涡旋光束的相息图，l＝1；(b)为相应的光强分布图。图2为函数曲线图。图3(a)为以为相位表达式时编码生成的相息图；(b)为相应于图3(a)光强分布的数值模拟图。图4(a)～(c)为正切相位涡旋光束的相息图，参数分别设定为 (d)～(f)为相应于图4(a)～(c)的光强分布的数值模拟结果图。图5(a)～(c)为正切相位涡旋光束的相息图，参数分别设定为 (d)～(f)为相应于图5(a)～(c)的光强分布的数值模拟结果图。图6为产生正切相位涡旋光束的装置图。图7为对应于图4的光强分布的实验结果图。图8为对应于图5的光强分布的实验结果图。图9(a)为正切相位涡旋光束的光强分布图，(b)为其坡印廷矢量图 图10为正切相位涡旋光束的光强分布的三维图其中，1-激光器，2-衰减片，3-平面反射镜，4-针孔滤波器，5-透镜，6-光阑，7-光束分束器，8-纯相位反射式液晶空间光调制器，9-傅里叶透镜，10-CMOS相机。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，具体过程如下：以下对涡旋光束和正切函数进行相关说明：对于传统的涡旋光束，其相位表达式为其中l为涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，其相应的相息图如图1(a)所示，取l＝1，那么对应的涡旋光束的光强分布图如图1(b)所示。从图中可以看出，涡旋光束呈现暗中空的能量分布，这是由于涡旋光束具有相位奇点的特性所导致的，其相位奇点存在于涡旋光束相息图的中心位置处。相位奇点即为当绕方位角旋转一周时，在相息图的最中心位置处，其相位值是不固定的。做出函数曲线图，如图2所示。从图中可以发现，该函数在θ＝π/2和3π/2处，有函数值的突变现象存在，利用正切函数的这一特点，我们将其引入到相位表达式中。以为相位表达式，做出相应的相息图，如图3(a)所示，对应的光强分布图如图3(b)所示。从相息图3(a)中可以发现，由正切相位的引入，导致了在方位角θ＝π/2和3π/2附近存在相位紊乱现象，即存在相位奇点，进而体现在光强分布图中即有两处光强为零的区域，这使得一束光束变为由两束独立的 子光束组成。为此，我们在传统涡旋光束中引入正切相位，即改进为正切相位涡旋光束，正切相位涡旋光束的相位表达式定义为其中l为正切相位涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，k为分开因子。其中参数拓扑荷数l及分开因子k对正切相位涡旋光束的光强分布是有一定影响的，即有各自的作用。同时，当θ≈0,k＝1时，ktan(lθ)≈lθ，那么此时正切相位涡旋光束的相位表达式变为 这与传统涡旋光束的相位表达式是相同的。因此，正切相位涡旋光束同时具有传统涡旋光束的一些性质。以下对于正切相位涡旋光束的性能进行进一步探究：保持k＝5不变，改变参数l的数值，将其数值分别设定为1,2,3。以此编码得出的正切相位涡旋光束的相息图如图4(a)～(c)所示，相应的光强分布的数值模拟结果如图4(d)～(f)所示。由正切函数具有周期性的特点，对于正切函数其周期大小取决于参数l的数值大小。那么在正切相位涡旋光束的相位分布中，拓扑荷数l决定了当方位角从0变化到2π时相位奇变范围出现的次数。图4(a)～(c)证明了这一点，随着拓扑荷数的增加，在相息图中相位奇异范围出现的次数也随之增加，并且相位奇异出现的次数与拓扑荷数l是存在确定的关系，即相位奇异范围出现的次数为2l次。进而体现在光强分布图4(d)～(f)中为，正切相位涡旋光束是由若干子光束组成的，拓扑荷数l决定了其子光束的数目，并且子光束的数目是确定的，为2l个。因此，在正切相位涡旋光束中，参数l是改变子光束数目的参数。可以得出，通过将正切函数引入到涡旋光束的相位表达式中，可以达到将传统涡旋光束光强分布离散化的目的，并且所得到的子光束的数目也是可控的。同样保持参数l＝2保持不变，改变k的数值，将其数值分别设定为1,3,5。以此得出的相息图如图5(a)～(c)所示，相应的光强分布的数值模拟图如图5(d)～(f)所示。由于分开因子k的存在，在相息图中的相位奇点附近的像素点也将变成相位奇点，并且每个相位奇点的范围大小是由参数k的数值大小决定的，即如图5(a)～(c)所示，随着分开因子k的数值的增加，在相息图中相位奇异点的范围也是增大的。进而体现在光强分布中，参数k决定了子光束分开的距离，并且子光束之间分开的距离随着参数k的增大而增大，即图5(d)～(f)所示。因此，在正切相位涡旋光束中参数k是改变子光束数目之间分开距离的参数。以下利用实验验证正切相位涡旋光束：对上述数值模拟光强分布结果在光路中进行进一步的实验验证，实验装置图如图6所示，图6即为用来产生正切相位涡旋光束的装置图。图中各个元件上字母符号所代表的含义及其在激光光路系统中的作用分别为：1：激光器，波长为632.8nm，其为光源；2：衰减片，置于激光器的后方，用于衰减激光的能量；3：平面反射镜，在光路中用于调整及准直光路；4：针孔滤波器，置于平面反射的后方，用来滤波，并产生点光源；5：透镜，焦距f1＝100mm，与针孔滤波器的距离为一倍焦距，用于使点光源发出的光束变为平面波传输；6：光阑，置于透镜L1的后方，用于滤出杂散光；7：光束分束器，可以透射光，也可以反射光；8：SLM，纯相位反射式液晶空间光调制器(holoeye，像素数目：1920×1080)，其作用是利用计算机将设计好的相息图加载上去时，它可以实现对入射光束的 纯相位调制，产生正切相位涡旋光束。9：傅里叶透镜，焦距f2＝150mm，实现对入射光束的傅里叶变换作用，使光束在透镜的焦点处生成；10：CMOS相机，在激光光路中置于傅里叶变换透镜的后方焦平面位置处，用于显示变换后的衍射光场。将上述数值模拟所设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，其特征在于，在涡旋光束中引入正切相位，其相位表达式为其中l为正切相位涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，k为分开因子，至此就实现了涡旋光束光强分布的离散化。

【技术特征摘要】
1.通过引入正切相位将涡旋光束光强分布离散化的方法，其特征在于，在涡旋光束中引入正切相位，其相位表达式为其中l为正切相位涡旋光束的拓扑荷数，θ为方位角，k为分开因子，至此就实现了涡旋光...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟宪东，康果果，夏绍燕，谭小地，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11