光学旋涡的产生系统技术方案

本发明专利技术适用于光束调控，提供了一种光学旋涡的产生系统，包括：激发光源单元，用于产生激光光束；偏振调制单元，用于将所述激光光束调制成圆偏振激光束；光学调制单元，包括若干调制组，每一所述调制组包括涡旋波片和半波片，用于将所述圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡。本发明专利技术实施例可将激光光束调制成圆偏振激光束，并将圆偏振激光束灵活地调制成任意拓扑荷的光学旋涡，转换效率高，同时解决了现有产生方式在脉冲光学涡旋产生过程中带来的频谱展宽等色散的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光束调控
，尤其涉及一种光学旋涡的产生系统。
技术介绍
光学旋涡是一类具有螺线形相位分布的光束，其表达式中带有相位因子，光束中的每个光子携带的轨道角动量，其中l称为拓扑荷数，为约化普朗克常数。在传输过程中，光束中心因相位不确定或发生突变而产生奇点，在奇点处的光强为零、无加热效应、无衍射效应。由于光学旋涡和光学涡旋的特征及其复杂性和多样性，还有它们所具有的应用潜力，受到了人们极大地关注。基于光学旋涡的研究课题具备基础性和前瞻性，该研究课题对光的本性认识具有深刻的影响，所以对光学旋涡及其特性的研究具有十分重要的科学意义，值得人们对其进行更为广泛和深入的研究。光学旋涡因其在光学角动量和动力学行为方面的特殊性，得到了广泛而实际的应用。光学旋涡不仅可用于增大激光腔的模体积，光的光导，频率移动，角动量的改变，还可以作为在自聚焦介质中的暗孤子。光学旋涡所拥有的轨道角动量更可用于自由空间光通信的信息解码。此外，光学旋涡最为突出的还是其在光学微操控领域中的应用，如对微粒和原子的光陷，捕获和引导粒子，旋转吸收的粒子等。目前用于产生光学旋涡的方法有很多种，螺旋位相片是产生螺旋波前最显而易见的方法，平面波通过位相片能生成具有轨道角动量为lh的光学旋涡。虽然螺旋位相片的概念简单，但它要求在光学波段内加工纳米量级的超精确螺旋面，因此，其他一些产生螺旋波前的方式也被相继提出，如利用柱面镜的模式转换器和计算全息图等。由于折射型光学器件越来越复杂，衍射光学元件成为产生光学旋涡的另一种选择。叉形光栅能在一级衍射方向上产生光学旋涡，这种衍射光学元件实际上是所需光学元件的全息图，或称为计算全息图。产生螺旋光束的全息图为叉形光栅或螺旋菲涅尔镜，这种技术在商用SLM(SpatialLightModulator，空间光调制器)上被广泛实现。与传统全息图加工技术相比，SLM能通过动态调制简单快捷地产生全息图。除此之外，还有一些其他的方法，如非均匀各项异性元件、亚波长介电光栅及金属纳米天线等。然而，上述光学旋涡的产生方式面临几个共同问题：一是转换效率低，产生光学旋涡的能量利用率不超过50％；二是基于器件调节的方法灵活性不够高，通常难以实现不同拓扑荷光学旋涡之间的转换；三是由于脉冲激光的一个重要特性是脉冲的高时间分辨，用以上方式调制飞秒激光的过程中，由于产生过程中要反复经过多重光学器件，因而造成光束频谱展宽等色散问题，从而严重影响飞秒激光脉冲的峰值及时间分辨特性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种光学旋涡的产生系统，旨在解决现有光学旋涡的产生方式中转换效率低、造成光束频谱展宽的色散的问题。本专利技术是这样实现的，一种光学旋涡的产生系统，包括：激发光源单元，用于产生激光光束；偏振调制单元，用于将所述激光光束调制成圆偏振激光束；光学调制单元，包括若干调制组，每一所述调制组包括涡旋波片和半波片，用于将所述圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡。进一步地，所述偏振调制单元包括第一偏振片和四分之一波片，所述四分之一波片的长轴方向和所述第一偏振片的偏振方向的夹角为π/4。进一步地，所述产生系统还包括分光单元、光路补偿单元、反射单元、偏振单元和合束单元；所述分光单元，用于将所述激发光源单元产生的激光光束分成调制光束和检测光束；所述反射单元，用于调整所述调制光束的路径，以使所述调制光束按照预置路径入射至所述偏振调制单元；所述偏振调制单元，用于将所述调制光束调制成圆偏振激光束；所述光学调制单元，用于将所述圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡入射至所述偏振单元；所述偏振单元，用于将所述光学旋涡进行偏振调制后入射至所述合束单元；所述光路补偿单元，用于对所述检测光束进行光程补偿，以使进行光程补偿后的所述检测光束与所述光学旋涡同步入射至所述合束单元；所述合束单元，用于将进行光程补偿后的所述检测光束和所述光学旋涡进行合束，得到合束光束。进一步地，所述光路补偿单元包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第二偏振片；所述检测光束依次经所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜进行光路调整后，入射至所述第二偏振片；经过光路调整的所述检测光束经所述第二偏振片进行偏振调制后，入射至所述合束单元。进一步地，所述涡旋波片的快轴方向沿涡旋波片圆周连续旋转，所述快轴方向绕圆周的变化角度为π。进一步地，所述涡旋波片的光轴与所述圆偏振激光束的光轴重合。进一步地，所述涡旋波片为液晶半波片。进一步地，当需要产生位相沿顺时针变化的光学旋涡时，保留所述光学调制单元中最后一组调制组的半波片。进一步地，当需要产生位相沿逆时针变化的飞秒柱矢量光束时，去除所述光学调制单元中最后一组调制组的半波片。进一步地，所述分光单元为偏振不敏感器件。本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：本专利技术实施例通过将激发光源单元产生的激光光束调制成圆偏振激光束，并通过光学调制单元将圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡。本专利技术实施例可将激光光束调制成圆偏振激光束，并将圆偏振激光束灵活地调制成任意拓扑荷的光学旋涡，转换效率高，同时解决了现有产生方式在脉冲光学涡旋产生过程中带来的频谱展宽等色散的问题。附图说明图1是本专利技术第一实施例提供的一种光学旋涡的产生系统的结构示意图；图2是本专利技术第一实施例提供的一种光学旋涡的产生系统的详细结构示意图；图3是本专利技术第二实施例提供的一种光学旋涡的产生系统的结构示意图；图4是本专利技术第二实施例提供的一种光学旋涡的产生系统的详细结构示意图；图5a是涡旋波片的快轴方向的示意图；图5b是半波片的快轴方向的示意图；图6a是拓扑荷为1的光学旋涡的相位分布示意图；图6b是拓扑荷为3的光学旋涡的相位分布示意图；图7a是拓扑荷为1的线偏光学旋涡与线偏光干涉产生的叉形光栅条纹；图7b是拓扑荷为3的线偏光学旋涡与线偏光干涉产生的叉形光栅条纹。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例所涉及的原理如下：圆偏振激光束的琼斯矩阵可表示为：ER=121jandEL=121-j---(1)]]>顺时针变化的涡旋波片的琼斯矩阵M1表示为：以右旋圆偏振激光束为例，经过包括涡旋波片和半波片的调制组后产生的光束的琼斯矩阵可表示为：即，产生位相面沿逆时针方向变化的拓扑荷为-1光学旋涡。在上述调制组后插入半波片后的琼斯矩阵可调制为：此时，入射右旋圆偏振激光束被调制为：即，产生位相面沿顺时针方向变化的拓扑荷为1光学旋涡。同样地，要产生逆时针变化的拓扑荷为l的光学旋涡(此处定义位相沿顺时针变化的拓扑荷为正，沿逆时针变化为负)，需要调制组的琼斯矩阵M表示为：其中，l表示产生光学旋涡的拓扑荷。为获得位相面沿顺时针方向变化的拓扑荷为l光学旋涡，需要调制组的琼斯矩阵Ml’表示为：其中H0表示快轴沿水平方向的半波片，琼斯矩阵表示为：H0=cos2φsin2φsin2φ-cos2φ---(8)]]>为产生更高拓扑荷的光学涡旋，调制组的琼斯矩阵之间存在如下关系：Ml＝Ml-1H0M1(9)由以上公式可以发现：对于需要产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学旋涡的产生系统，其特征在于，所述产生系统包括：激发光源单元，用于产生激光光束；偏振调制单元，用于将所述激光光束调制成圆偏振激光束；光学调制单元，包括若干调制组，每一所述调制组包括涡旋波片和半波片，用于将所述圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡。

【技术特征摘要】
1.一种光学旋涡的产生系统，其特征在于，所述产生系统包括：激发光源单元，用于产生激光光束；偏振调制单元，用于将所述激光光束调制成圆偏振激光束；光学调制单元，包括若干调制组，每一所述调制组包括涡旋波片和半波片，用于将所述圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡。2.如权利要求1所述的产生系统，其特征在于，所述偏振调制单元包括第一偏振片和四分之一波片，所述四分之一波片的长轴方向和所述第一偏振片的偏振方向的夹角为π/4。3.如权利要求2所述的产生系统，其特征在于，所述产生系统还包括分光单元、光路补偿单元、反射单元、偏振单元和合束单元；所述分光单元，用于将所述激发光源单元产生的激光光束分成调制光束和检测光束；所述反射单元，用于调整所述调制光束的路径，以使所述调制光束按照预置路径入射至所述偏振调制单元；所述偏振调制单元，用于将所述调制光束调制成圆偏振激光束；所述光学调制单元，用于将所述圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡入射至所述偏振单元；所述偏振单元，用于将所述光学旋涡进行偏振调制后入射至所述合束单元；所述光路补偿单元，用于对所述检测光束进行光程补偿，以使进行光程补偿后的所述检测光束与所述光学旋涡同步入射至所述合束单元；所述合束单元，用...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁小聪，张聿全，闵长俊，豆秀婕，杜路平，步敬，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44