拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法，该拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置包括：激光器，用于发出高斯光束；第一凸透镜，用于扩束高斯光束；第二凸透镜，用于准直扩束后的高斯光束；计算机，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对数字微镜器件的入射光束进行振幅或/和位相调制；数字微镜器件，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束。本发明专利技术具有很高的损伤阈值，同时有非常快的响应速度，且装置结构简单易懂，稳定性好，制造成本低，在机械加工，生物医学治疗，军事领域，信息传输，微操控等方面应用广泛。

【技术实现步骤摘要】
拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法
本专利技术涉及光学测量仪器
，具体涉及一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法。
技术介绍
在光学领域中，拉盖尔高斯光束是指光场满足：的光束，其中代表拉盖尔多项式，通过改变l和p的数值，可以改变拉盖尔高斯光束的形态，从而得到不同阶数的拉盖尔高斯光束。由于拉盖尔高斯光束(LG光束)中携带涡旋相位项，使得光束的中心具有奇异性，从而在光束中心形成了中空对称模式。这种柱对称模式可以用径向和角向因子p和l来描述,且在传播过程中p，l保持不变。拉盖尔高斯光束作为涡旋光束的代表，在诸多领域得到了广泛应用，也是理解涡旋光束特性的基本光束。对于拉盖尔高斯光束的研究，目前一直只停留在实验室中，且只能产生低阶的拉盖尔高斯光束，因此其应用十分受限。而且目前产生所述拉盖尔高斯光束的装置及方法都具有结构复杂、稳定性差的缺点。例如，目前实验室中用来产生涡旋光束的方法中比较常见且高效的是采用空间光调制器或螺旋相位板，将固体激光器输出的高斯光，入射到加载了产生目标涡旋光束相位的空间光调制器或螺旋相位板上，出射的光束就是涡旋光束。
技术实现思路
有鉴于此，为了解决现有技术中产生拉盖尔高斯光束的装置及方法都具有结构复杂、稳定性差的缺点的技术问题，本专利技术提出一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生/三维重建装置及方法，选用了数字微镜器件(DMD)来产生涡旋光束，实验时可以加载LG光束的振幅或相位或者两者结合来产生LG光束。本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，包括：激光器，用于发出高斯光束；第一凸透镜，用于扩束高斯光束；第二凸透镜，用于准直扩束后的高斯光束；计算机，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对数字微镜器件的入射光束进行振幅或/和位相调制；数字微镜器件，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束，拉盖尔高斯光束表示为：其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w0为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(zR/z)2]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/zR)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P0为初始输入功率。进一步地，还包括：针孔，用于将从数字微镜器件反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声。进一步地，所述激光器为633nm的He-Ne激光器，计算机与数字微镜器件通过USB线连接。进一步地，所述计算机产生叉形的衍射光栅的方法为：把带有l个拓扑电荷的涡旋相位项exp(ilφ)和单位平面波exp(-ikx)进行干涉，在光束的束腰处横向干涉结果表达为：I＝|exp(-ikx)+exp(ilφ)|2。一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生方法，包括如下步骤：步骤S1、使用激光器发出高斯光束；步骤S2、使用第一凸透镜对高斯光束进行扩束；步骤S3、使用第二凸透镜对扩束后的高斯光束进行准直；步骤S4，准直的部分相干高斯光束到达数字微镜器件后，通过计算机产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，在数字微镜器件上对准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和位相调制，产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束以反射方式出射，拉盖尔高斯光束表示为：其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w0为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(zR/z)2]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/zR)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P0为初始输入功率。进一步地，还包括步骤S5，使用针孔对从数字微镜器件反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声。进一步地，所述计算机产生叉形的衍射光栅的方法为：把带有l个拓扑电荷的涡旋相位项exp(ilφ)和单位平面波exp(-ikx)进行干涉，在光束的束腰处横向干涉结果表达为：I＝|exp(-ikx)+exp(ilφ)|2。一种拉盖尔高斯涡旋光束的三维重建装置，包括：激光器，用于发出高斯光束；第一凸透镜，用于扩束高斯光束；第二凸透镜，用于准直扩束后的高斯光束；数字微镜器件，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束，拉盖尔高斯光束表示为：其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w0为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(zR/z)2]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/zR)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P0为初始输入功率；反射镜，用于对从数字微镜器件上发射出来的拉盖尔高斯涡旋光束进行反射；针孔，用于对从反射镜反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声；图像传感器，用于对拉盖尔高斯涡旋光束进行成像；测量平台，用于使图像传感器沿着光束传播方向前后移动，以接收不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束；计算机，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对入射光束进行振幅或/和位相调制；还用于对不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束用Matlab进行处理，运用光强等值面对其进行渲染并透明化处理，使它们的光强三维可视化，对拉盖尔高斯光束进行三维重建。进一步地，所述图像传感器为单色CCD传感器。一种拉盖尔高斯涡旋光束的三维重建方法，包括：步骤S1、使用激光器发出高斯光束；步骤S2、使用第一凸透镜对高斯光束进行扩束；步骤S3、使用第二凸透镜对扩束后的高斯光束进行准直；步骤S4，准直的部分相干高斯光束到达数字微镜器件后，通过计算机产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，在数字微镜器件上对准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和位相调制，产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束以反射方式出射，拉盖尔高斯光束表示为：其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w0为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(zR/z)2]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/zR)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P0为初始输入功率；步骤S5，使用反射镜对从数字微镜器件上发射出来的拉盖尔高斯涡旋光束进行反射；步骤S6，使用针孔对从反射镜反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声；步骤S7，前后移动测量平台，使单色图像传感器沿着光束传播方向前后移动，以接收不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束；步骤S8，使用计算机对不同位置的拉盖尔高斯涡旋光束用Matlab进行处理，运用光强等值面对其进行渲染并透明化处理，使它们的光强三维可视化，对拉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，其特征在于，包括：激光器，用于发出高斯光束；第一凸透镜，用于扩束高斯光束；第二凸透镜，用于准直扩束后的高斯光束；计算机，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对数字微镜器件的入射光束进行振幅或/和位相调制；数字微镜器件，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束，拉盖尔高斯光束表示为：

【技术特征摘要】
1.一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，其特征在于，包括：激光器，用于发出高斯光束；第一凸透镜，用于扩束高斯光束；第二凸透镜，用于准直扩束后的高斯光束；计算机，用于产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，对数字微镜器件的入射光束进行振幅或/和位相调制；数字微镜器件，用于将准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和相位调制来产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束，拉盖尔高斯光束表示为：其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w0为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(zR/z)2]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/zR)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P0为初始输入功率。2.根据权利要求1所述的拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，其特征在于，还包括：针孔，用于将从数字微镜器件反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声。3.根据权利要求1所述的拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，其特征在于，所述激光器为633nm的He-Ne激光器，计算机与数字微镜器件通过USB线连接。4.根据权利要求1所述的拉盖尔高斯涡旋光束的产生装置，其特征在于，所述计算机产生叉形的衍射光栅的方法为：把带有l个拓扑电荷的涡旋相位项exp(ilφ)和单位平面波exp(-ikx)进行干涉，在光束的束腰处横向干涉结果表达为：I＝|exp(-ikx)+exp(ilφ)|2。5.一种拉盖尔高斯涡旋光束的产生方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、使用激光器发出高斯光束；步骤S2、使用第一凸透镜对高斯光束进行扩束；步骤S3、使用第二凸透镜对扩束后的高斯光束进行准直；步骤S4，准直的部分相干高斯光束到达数字微镜器件后，通过计算机产生叉形的衍射光栅，并将该叉形的衍射光栅加载到数字微镜器件上，在数字微镜器件上对准直的部分相干高斯光束进行振幅或/和位相调制，产生不同阶数的拉盖尔高斯涡旋光束以反射方式出射，拉盖尔高斯光束表示为：其中u是光束的复振幅，为径向坐标，表示拉盖尔多项式，k＝2π/λ为波数，为高斯光束在任意传播距离的束宽，其中是瑞利距离，w0为高斯光束的束腰宽度，高斯光束是基模拉盖尔高斯光束(p＝0,l＝0)，R(z)＝z[1+(zR/z)2]为光波波前的曲率半径，φ(z)＝(2p+l+1)arctan(z/zR)为轴对称光波的Gouy相移，由决定的归一化常数，其值为其中P0为初始输入功率。6.根据权利要求5所述的拉盖尔高斯涡旋光束的产生方法，其特征在于，还包括步骤S5，使用针孔对从数字微镜器件反射过来的拉盖尔高斯涡旋光束进行空间滤波，消除噪声。7.根据权利要求5所述的拉盖尔高斯涡旋光束的产生方法，其特征在于，所述计算机产生叉形的衍射光栅的方法为：把带有l个拓扑电荷的涡旋相位项exp(ilφ)和单位平面波exp(-ikx)进行干涉，在光束的束腰处横向干涉结果表达为：I＝|exp(-ikx...

【专利技术属性】
技术研发人员：巫嘉凡，邓冬梅，庞子灏，陈钰淇，黄福强，程朗，林佳玲，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44