产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法和系统，为了得到在传输方向轴上拓扑荷数随着距离连续变化且随着波长变化的涡旋光束而设计。本发明专利技术光束经过一螺旋狭缝结构，螺旋狭缝结构，所述螺旋狭缝结构为其上设有一透光、缺口的螺旋狭缝且螺旋狭缝以外其余部分不透光的光学件。在所述螺旋狭缝结构后生成在传输方向上拓扑荷数随着传输距离连续变化，且在传输方向上拓扑荷数随着波长变化的涡旋光束。本发明专利技术这样的纵向操控技术可以处理在遥感和多数据通信甚至数据加密中面临的很多挑战。

Method and system for generating a partially ordered Bessel vortex beam

The invention relates to a method and system for generating local fractional Bessel vortex beam, in order to get in the direction of transmission shaft with the continuous change of the topological charge of distance and design with vortex beam wavelength variation. The light beam of the invention passes through a spiral slit structure, and the spiral slit structure is provided with a light transmitting and notched spiral slit and an optical component which is not transparent to the other part of the spiral slit. After the helical slit structure is generated, the topological load in the transmission direction varies continuously with the transmission distance, and the topological load varies with the wavelength in the transmission direction. The longitudinal manipulation technique of the present invention can handle many challenges in remote sensing and multi data communications, and even data encryption.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法和系统。
技术介绍
涡旋光束是具有螺线形相位分布的光束，其表达式中带有相位因子exp[ilθ]，光束中的每个光子携带l的轨道角动量，其中l称为拓扑荷数。由于涡旋光束具有轨道角动量l，所携带的轨道角动量可以传递给微粒，以驱动微粒旋转，还可实现对微米、亚微米微粒的俘获、平移，人们形象地把这种工具称为“光学扳手”。另外涡旋光束在信息编码上也有较大的应用前景，利用涡旋光束的轨道角动量可对信息进行编码与传输。这种新型的编码方式具有很多独特的优点：(1)由于拓扑荷数l的取值可以为整数，零，甚至分数，所以具有更高的编码能力。(2)具有更高的保密性。因而对涡旋光束拓扑荷数的测量具有很重要的意义。基于上述特性，涡旋光束在实现驱动粒子旋转、信息编码、生物医学、光信息传输上有较大的应用前景。目前关于涡旋光束的研究主要局限于整数阶的涡旋光束，然而对分数阶涡旋光束的研究也具有很重要的意义。因为涡旋光束的分数阶取值可以使其具有更强的编码能力；这对于原子光学和量子信息光学是很重要的。不同于整数阶涡旋光束圆对称光强分布，分数阶涡旋光束的亮环上会出现缺口，在微粒子的操纵方面有更多应用。贝塞尔光束是涡旋光束中最常用的一种涡旋光束模型，由于其具有特殊的无衍射及自愈性。迄今为止，分数阶贝塞尔涡旋光束的产生和传播特性不论是在理论和实验上都被广泛地研究。产生分数阶涡旋光束的方法有：螺旋位相板法、轴棱锥转换法、空间光调制器产生法、拉盖尔高斯加权叠加法等。螺旋位相板法[OemrawsinghSSR,ElielER,WoerdmanJP,etal.Half-integralspiralphaseplatesforopticalwavelengths[J].JournalofOpticsA:PureandAppliedOptics,2004,6(5):S288.]，它是利用螺旋位相板向具有平滑波前的光波中引入一定量的位错量从而产生波前位错，通过这样的螺旋位相板后生成分数阶涡旋光束。轴棱锥转换法[ScottG,McArdleN.Efficientgenerationofnearlydiffraction-freebeamsusinganaxicon[J].OpticalEngineering,1992,31(12):2640-2643.]主要是为了产生贝塞尔无衍射光束而制作的，是上述螺旋位相板方法的一个进化。它将基膜高斯光束经过分数阶螺旋位相板后产生分数涡旋光束，再透过轴棱镜后就产生了无衍射光束分数阶贝塞尔涡旋光束。空间光调制器[S.H.Tao,W.M.Lee,andX.C.Yuan,“Dynamicopticalmanipulationwithahigher-orderfractionalBesselbeamgeneratedfromaspatiallightmodulator,”Opt.Lett.28(20),1867–1869(2003).]是将相位信息加载到相位型空间光调制器上，从而得到所需要的分数阶涡旋光束。它与全息光栅不同的是，它将电脑上的图形同步加载到空间光调制器上，生成全息图，省去了制作全息光栅的过程。拉盖尔高斯加权叠加法[JB,O’HolleranK,PreeceD,etal.Lightbeamswithfractionalorbitalangularmomentumandtheirvortexstructure[J].OpticsExpress,2008,16(2):993-1006.]，所需要的分数阶可以由几个整数的拉盖尔高斯光束加权叠加而成，但实际上得到的并非严格意义上的分数解析解，但是根据加权系数，其他模式可以忽略。这些方法都存在一定的缺陷，当需要不同拓扑荷数的涡旋光束则需要每次改变螺旋位相板或加载到空间光调制器上的信息或者计算解析解来得到所需光束。螺旋位相板这样的方法产生的分数阶涡旋光束的拓扑荷数由螺旋位相板的制作有关。通过某一个螺旋位相板，具有固定的某一分数的拓扑荷数。轴棱锥转换法是螺旋位相板的一个升级，缺陷和螺旋位相板相类似，空间光调制器其实和全息光栅类似，其缺点是需要得到特定分数的涡旋光束，就需要改变一次相位信息。拉盖尔高斯加权叠加法所产生的分数阶光束其实并非严格意义上的解析解，而是一个近似。鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法和系统，使其更具有产业上的利用价值。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种既可以得到在传输方向上拓扑荷数随着传输距离连续变化的涡旋光束，还可以得到拓扑荷数随着波长变化的涡旋光束的产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法和系统。为达到上述专利技术目的，本专利技术产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法，包括：对光束进行扩束处理；经过扩束后的光束经过一螺旋狭缝结构，在所述螺旋狭缝结构后生成在传输方向上拓扑荷数随着传输距离连续变化，且在传输方向上拓扑荷数随着波长变化的涡旋光束；其中，所述螺旋狭缝结构为其上设有一透光、缺口的螺旋狭缝且螺旋狭缝以外其余部分不透光的光学件，所述透光、缺口的螺旋狭缝的半径满足以下公式公式中，r0是透光、缺口的螺旋狭缝上半径最小处的半径，α是一个螺旋透光狭缝上其他的点与半径最小处的点之间的夹角，N是定值。具体地，N的取值应满足N＝l×z×λ，其中λ为光源的波长，z为观察平面与螺旋狭缝结构的距离，l为想要获取的拓扑荷量大小l。特别地，还包括在所述螺旋狭缝结构后的观察平面设置记录距离螺旋狭缝结构不同距离处的光斑形状，以确认是否得到连续变化的拓扑荷量。进一步地，所述螺旋狭缝结构为通过在透射式空间光调制器上加载透光、缺口的螺旋狭缝和不透光部分形成。为达到上述专利技术目的，本专利技术产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的系统，包括：扩束镜，对光束进行扩束，扩束处理后的光束的光斑大小能够覆盖螺旋狭缝；螺旋狭缝结构，经过扩束后的光束经过该螺旋狭缝结构，在所述螺旋狭缝结构后生成在传输方向上拓扑荷数随着传输距离连续变化，且在传输方向上拓扑荷数随着波长变化的涡旋光束；所述螺旋狭缝结构为其上设有一透光、缺口的螺旋狭缝且螺旋狭缝以外其余部分不透光的光学件，所述透光、缺口的螺旋狭缝的半径满足以下公式公式中，r0是透光、缺口的螺旋狭缝上半径最小处的半径，α是一个螺旋透光狭缝上其他的点与半径最小处的点之间的夹角，N是定值。进一步地，还包括设置在螺旋狭缝结构后的观察平面的数字传感器，所述数字传感器用于记录距离螺旋狭缝结构不同距离处的光斑形状，确认是否得到连续变化的拓扑荷量。进一步地，所述数字传感器设置在距离螺旋狭缝结构传输距离z＝1m，z＝1.14m，z＝1.34m，z＝1.56m，z＝1.89m处记录拓扑荷分别为m＝2，m＝1.17，m＝1.5，m＝1.3，m＝1的涡旋光束。优选地，透射式空间光调制器加载透光、缺口的螺旋狭缝和不透光部分形成所述螺旋狭缝结构。借由上述方案，本专利技术产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法和系统至少具有以下优点：本专利技术扩束后的光束经过一个螺旋狭缝结构，当一束平面波入射到屏幕上时，入射波上两个相近点沿着狭缝上角度的增量分别是Δα,(rα,α)，(rα+Δα,α+Δα)，经过不同的距离后到达观察平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法，其特征在于，包括：对光束进行扩束处理；经过扩束后的光束经过一螺旋狭缝结构，在所述螺旋狭缝结构后生成在传输方向上拓扑荷数随着传输距离连续变化，且在传输方向上拓扑荷数随着波长变化的涡旋光束；其中，所述螺旋狭缝结构为其上设有一透光、缺口的螺旋狭缝且螺旋狭缝以外其余部分不透光的光学件，所述透光、缺口的螺旋狭缝的半径满足以下公式rα=(r02+Nαπ)1/2]]>公式中，r0是透光、缺口的螺旋狭缝上半径最小处的半径，α是一个螺旋透光狭缝上其他的点与半径最小处的点之间的夹角，N是定值。

【技术特征摘要】
1.一种产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法，其特征在于，包括：对光束进行扩束处理；经过扩束后的光束经过一螺旋狭缝结构，在所述螺旋狭缝结构后生成在传输方向上拓扑荷数随着传输距离连续变化，且在传输方向上拓扑荷数随着波长变化的涡旋光束；其中，所述螺旋狭缝结构为其上设有一透光、缺口的螺旋狭缝且螺旋狭缝以外其余部分不透光的光学件，所述透光、缺口的螺旋狭缝的半径满足以下公式rα=(r02+Nαπ)1/2]]>公式中，r0是透光、缺口的螺旋狭缝上半径最小处的半径，α是一个螺旋透光狭缝上其他的点与半径最小处的点之间的夹角，N是定值。2.根据权利要求1所述的产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法，其特征在于，N的取值应满足N＝l×z×λ，其中λ为光源的波长，z为观察平面与螺旋狭缝结构的距离，l为想要获取的拓扑荷量大小l。3.根据权利要求1所述的产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法，其特征在于，还包括在所述螺旋狭缝结构后的观察平面设置记录距离螺旋狭缝结构不同距离处的光斑形状，以确认是否得到连续变化的拓扑荷量。4.根据权利要求1所述的产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法，其特征在于，所述螺旋狭缝结构为通过在透射式空间光调制器上加载透光、缺口的螺旋狭缝和不透光部分形成。5.一种产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的系统，其特征在于，包括：扩束镜，对光束进...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵承良，朱新蕾，曾军，卢兴园，蔡阳健，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32