一种基于双光栅衍射产生规则涡旋光阵列的方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于双光栅衍射产生规则涡旋光阵列的方法及系统。本发明专利技术采用计算机模拟产生两光栅，分别加载到两个空间光调制器(SLM)上，使平面光垂直照射并依次通过两光栅，调节两光栅的衍射距离进而获得涡旋光阵列。同现有技术相比，光路结构简单，方法简便，灵活，效率高，成本低，易于实现等优点，可轻易制备得到高质量的涡旋光阵列，便于后续光学微操作、物体微变形测量等领域中的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双光栅衍射产生规则涡旋光阵列的方法及系统
本专利技术属于光电
，涉及一种基于双光栅衍射产生规则涡旋光阵列的方法及系统。
技术介绍
涡旋光是具有螺旋型相位波前和相位奇点的空心光束，在相位奇点处光波的光强为零，并且相位围绕奇点沿垂直于传播方向呈螺旋状分布。涡旋光阵列是由多个单涡旋光组成，相比单个涡旋光束，涡旋光阵列具有更广泛的应用。例如，涡旋光阵列在光学微操作领域可以捕获和观察多个微粒，与单涡旋相比可以大大提高工作效率。在驱动微机械泵、多通道光纤通信、量子信息处理以及微变形测量等方面有广阔的应用前景。涡旋光阵列的应用依赖于高质量涡旋光阵列的产生。目前产生涡旋光阵列的方法主要有干涉法、螺旋相位滤波法、计算全息法等。其中，干涉法的光路一般比较复杂，需要精密调整，不容易稳定，在实际产生涡旋光阵列时有诸多的不便。螺旋相位滤波法对螺旋相位板的表面质量要求比较高，加工制作比较困难。计算全息法是利用光学刻蚀的方法制作高质量的全息图，制作时间比较长，有一定的困难。因此，提供一种简便，灵活，效率高，成本低，易于实现的产生规则涡旋光阵列的方法成为本领域亟待解决的问题。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于双光栅衍射产生规则涡旋光阵列的方法及系统。本专利技术采用计算机模拟产生两光栅，分别加载到两个空间光调制器(SLM)上，使平面光垂直照射并依次通过两光栅，调节两光栅的衍射距离进而获得涡旋光阵列。为实现上述目的，具体的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的第一个方面，提供一种基于双光栅衍射产生规则涡旋光阵列的方法，包括步骤如下：S110.调节两光栅的衍射距离获得相位分布不同的涡旋光阵列；S120.获取不同距离和峰值的关系；S130.产生高质量涡旋光阵列的最佳衍射距离，进而得到规则涡旋光阵列；进一步的，所述步骤S110.中，两光栅分别为光栅A和光栅B，则光栅A和光栅B复振幅通过率分别为：取光栅栅线在x轴和y轴方向上的空间频率均为f0，则其中，d为x轴和y轴方向上的光栅条纹间距，当平行光入射光栅A时，由光栅A的表达式可知其空间频谱为：其中，fx和fy为光栅后观察平面上x轴和y轴方向上的空间频率；则在位于光栅A后z处的观察平面上观察衍射光场，属于菲涅尔衍射，其传递函数可表示为：其中，λ为入射光波的波长，z为光栅A与观察面的距离，为波矢量；进一步的，z处光场分布的频谱为：则光栅衍射在泰伯距离处有衍射自成像的特征，其整数泰伯距离的表达式为其中，l为自然数；光栅A的整数倍泰伯距离为则在光栅A的整数倍泰伯距离处，式(2)中的因子且式(3)变为：此处对式(5)做逆傅里叶变换，则可以得到光栅A在整数倍泰伯距离za处的光场复振幅分布为：将光栅B放置在光栅A的整数倍泰伯距离za处，则光栅A的衍射光场透过光栅B，光栅B的衍射光场可表示为此处对进行傅里叶变换得到并光波空间传播考虑式(2)，则光栅B后z处的频谱为：此处对进行逆傅里叶变换，得到光栅B在其衍射距离z处的光场复振幅分布；由式(4)可知，当光栅B放置在其整数泰伯距离其光场复振幅分布为当光栅B放置在光栅A的泰伯距离za处，而在光栅B的倍泰伯距离处观察衍射光场，则其光场复振幅分布为：则上述两种情况下对应的光场强度分布为则光栅A在其衍射距离为1倍泰伯距离，光栅B在其衍射距离为1倍以及倍泰伯距离时，所产生的涡旋光阵列质量最好；本专利技术的第二个方面，提供一种基于双光栅衍射产生规则涡旋光阵列的系统，所述系统包括：激光器，用于产生入射光波；进一步的，所述入射光波波长为λ；衰减片，所述衰减片用于对激光器产生的入射光波光强进行强度调节；进一步的，所述衰减片可以是位移型光衰减片，薄膜型光衰减片，衰减型光衰减片，另外其他不需要本领域技术人员付出创造性劳动可用于调节光强的装置亦在本专利申请的保护范围内；扩束镜，所述扩束镜用于对衰减后的入射光波进行扩束；空间滤波器，所述空间滤波器用于对扩束后的入射光波进行滤波处理，去除高频噪声与干扰，及影像边缘增强、线性增强以及去模糊，从而改善影像质量；准直透镜，所述准直透镜用于对滤波处理后的入射光波进行准直；第一空间光调制器和第二空间光调制器，所述第一空间光调制器和第二空间光调制器用于对准直后的入射光波进行调制；进一步的，对第一空间光调制器和第二空间光调制器加载不同的振幅型光栅即光栅A和光栅B；CCD相机，所述CCD相机用于接收经空间光调制器调制后的衍射光场；具体的，将激光器产生的波长为λ的激光依次经过衰减片、扩束镜、空间滤波器以及准直透镜后，依次垂直通过第一空间光调制器SLM1和第二空间光调制器SLM2，在在第一空间光调制器SLM1和第二空间光调制器SLM2上加载不同的振幅型光栅即光栅A和光栅B；在SLM2后的一定距离处放置CCD相机观察衍射成像，通过调节两个空间光调制器的距离以及他们与CCD相机间的距离，获得相位不同的涡旋光阵列，从而最终得到高质量的规则涡旋光阵列。本专利技术的第三个方面，公开了上述方法/或系统在制备高质量规则涡旋光阵列中的应用。本专利技术的有益技术效果：本专利技术首次提出基于双光栅衍射产生涡旋光阵列的方法和系统，同现有技术相比，本专利技术光路结构简单，方法简便，灵活，效率高，成本低，易于实现等优点，可轻易制备得到高质量的涡旋光阵列，便于后续的光学微操作、物体微变形测量等领域中的应用。附图说明图1为本专利技术基于双光栅衍射产生涡旋光阵列的系统光路图；图2为光栅A强度分布图，光栅A大小设为768×768像素，每个像素大小为1um×1um，λ＝632.8nm；x轴和y轴方向上的光栅条纹间距d＝96um；图3为光栅B强度分布图，光栅B大小设为768×768像素，每个像素大小为1um×1um，λ＝632.8nm；取x轴和y轴方向上的光栅条纹间距d＝96um；图4为za1＝zb1＝14.56mm时的光强点阵图；图5为za1＝14.56mm,时的光强点阵图；图6为平面光与图4所示点阵的干涉图；图7为平面光与图5所示点阵的干涉图；图8为光栅B的衍射距离为1倍以及1/2倍泰伯距离时，光栅A在不同衍射距离处所产生涡旋光阵列的峰值强度曲线对比图。其中，虚线代表光栅B的衍射距离为1/2倍泰伯距离，实线代表光栅B的衍射距离为1倍泰伯距离。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。结合具体实例对本专利技术作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本专利技术，并不对其内容进行限定。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或按照销售公司所推荐的条件；在本专利技术没有特别限定，均可通过商业途径购买得到。图1为本专利技术建立的基于双光栅衍射获得涡旋光阵列的系统光路图。我们采用计算机模拟产生两光栅，光栅A和光栅B。将光栅A和光栅B分别加载到第一空间光调制器SLM1和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双光栅衍射产生规则涡旋光阵列的方法，包括步骤如下：S110.调节两光栅的衍射距离获得相位分布不同的涡旋光阵列；S120.获取不同距离和峰值的关系；S130.产生高质量涡旋光阵列的最佳衍射距离，进而得到规则涡旋光阵列。

【技术特征摘要】
1.一种基于双光栅衍射产生规则涡旋光阵列的方法，包括步骤如下：S110.调节两光栅的衍射距离获得相位分布不同的涡旋光阵列；S120.获取不同距离和峰值的关系；S130.产生高质量涡旋光阵列的最佳衍射距离，进而得到规则涡旋光阵列。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，两光栅分别为光栅A和光栅B，则光栅A和光栅B复振幅通过率分别为：取光栅栅线在x轴和y轴方向上的空间频率均为f0，则其中，d为x轴和y轴方向上光栅条纹间距。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当平行光入射光栅A时，由光栅A的表达式则其空间频谱为：其中，fx和fy为光栅后观察平面上x轴和y轴方向上的空间频率；则在位于光栅A后z处的观察平面上观察衍射光场，属于菲涅尔衍射，其传递函数表示为：其中，λ为入射光波的波长，z为光栅A与观察面的距离，为波矢量；z处光场分布的频谱为：则光栅衍射在泰伯距离处有衍射自成像的特征，其整数泰伯距离的表达式为其中，l为自然数；光栅A的整数倍泰伯距离为则在光栅A的整数倍泰伯距离处，式(2)中的因子且式(3)变为：此处对式(5)做逆傅里叶变换，则可以得到光栅A在整数倍泰伯距离za处的光场复振幅分布为：4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将光栅B放置在光栅A的整数倍泰伯距离za处，则光栅A的衍射光场透过光栅B，光栅B的衍射光场表示为：此处对进行傅里叶变换得到并光波空间传播考虑式(2)，则光栅B后z处的频谱为：此处对进行逆傅里叶变换，得到光栅B在其衍射距离z处的光场复振幅分布；由式(4)，当光栅B放置在其整数泰伯距离其光场复振幅分布为当光栅B放置在光栅A的泰伯距离za处，而在光栅B的倍泰伯距离处观察衍射光场，则其...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙平，张新宇，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37