一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备方法及装置。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，矩阵螺旋相位板是一种用于制备涡旋光的透明光学衍射元件。具有高斯分布的光束通过矩阵螺旋相位板获得涡旋光，通过入射角为0度的反射镜改变涡旋光旋向，使涡旋光依原光路反向通过矩阵螺旋相位板，拓扑荷数以负数形式进行加倍；在此基础上，通过控制光束的偏振态减少了通过分束镜时产生的耗损。提出了一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备装置，它包括激光器、起偏器、偏振分光棱镜、矩阵螺旋相位板、四分之一波片、反射镜和图像传感器。本方法光路简洁，成本低廉，转化效率高，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数的涡旋光制备。

【技术实现步骤摘要】
一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备方法及装置
本专利技术涉及一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备方法及装置。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，矩阵螺旋相位板是一种用于制备涡旋光的透明光学衍射元件。通过矩阵螺旋相位板多通的方式可制得大拓扑荷数涡旋光。本方法光路简洁，效率高，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数的涡旋光制备。技术背景涡旋光是一类等相位面呈螺旋状的光束，具有轨道角动量。涡旋光的相位中含有角相位因子exp(ilθ)，其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，θ为方位角，涡旋光制备方法的研究是开展涡旋光实验研究的基础。常用的涡旋光制备方法有模式转换法、计算全息法、空间光调制器法、Q板法和矩阵螺旋相位板法。模式转换法成本低廉，对光功率没有严苛限制，但是该方法对于光路搭建的精度有极高的要求；计算全息法理论上可以制备出大拓扑荷数涡旋光，但是该方法转化效率低，不能产生单一模式的涡旋光；空间光调制器体积小，制备出的涡旋光质量高，但是该器件造价昂贵，对入射角度、入射光功率均有限制；Q板结构简单，响应速度快，方便快捷，但是目前仅能制备拓扑荷数较小的涡旋光。矩阵螺旋相位板法可以弥补以上制备方法的不足，该方法能量转换效率高，能够制备出大拓扑荷数涡旋光。该方法结构简单，应用广泛，但矩阵螺旋相位板一旦制成，只能产生特定拓扑荷数的涡旋光。制备多种拓扑荷数的涡旋光，需要购买多种组合的涡旋光矩阵螺旋相位板，增加实验室经费负担，若可以利用现有矩阵螺旋相位板进行多种拓扑荷数制备将极大提高实验室器件利用效率。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：针对现有矩阵螺旋相位板仅能制备特定拓扑荷数涡旋光的不足，提出了一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备方法及装置，本方法光路简洁，成本低廉，转化效率高，能轻松完成当前矩阵螺旋相位板所能制得涡旋光拓扑荷数的加倍。本专利技术的技术解决方案是：本专利技术涉及一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备方法及装置，首先，一束具有高斯分布的光束通过矩阵螺旋相位板，出射光可获得螺旋相位，即制得具有对应拓扑荷数的涡旋光，其次，通过入射角为0度的反射镜改变涡旋光旋向，使涡旋光依原光路反向通过矩阵螺旋相位板，使涡旋光拓扑荷数以负数形式进行加倍完成涡旋光制备；在此方法的基础上，提出了一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备装置，它包括激光器(1)、起偏器(2)、偏振分光棱镜(3)、矩阵螺旋相位板(6)、四分之一波片(7)、反射镜1(4)、反射镜2(5)、反射镜3(8)、反射镜4(11)、分光棱镜(9)和图像传感器(10)。由反射镜3(8)改变涡旋光旋向，使涡旋光拓扑荷数由l变号为-l，反向通过矩阵螺旋相位板时获得螺旋相位因子exp(-ilθ)，出射时完成拓扑荷数的负数加倍，即出射时制备的涡旋光拓扑荷数为-2l，其中θ为方位角。通过起偏器(2)、偏振分光棱镜(3)、四分之一波片(7)和反射镜3(8)完成了加倍涡旋光拓扑荷数过程中的偏振态控制，理论上，使得涡旋光由偏振分光棱镜(3)完全反射，提高了涡旋光制备效率，减少了损耗，装置示意如图1所示。本专利技术的原理是：经过起偏器后的涡旋光其偏振态为线偏振光，入射四分之一波片产生同相位的e光和o光，出射时产生相位差为φ，振幅分别为Ae、Ao的两涡旋光，其合成光矢量端点轨迹方程为：经四分之一波片产生的光程差为Δ＝(m+1/4)λ,m＝0,±1,±2,…，它的相位差为：φ＝(2m+1)π/2，m＝0，±1，±2，…(2)将公式(2)代入(1)得：该方程为标准椭圆方程，当入射光为π/4时，出射光为一圆偏振光，其方程为：其中，E1、E2为涡旋光振幅表达式。高斯光通过起偏器后其偏振态为线偏振，进入偏振分光棱镜后分为偏振态互相垂直的两列光。其中，透射的这支光束由四分之一波片变为圆偏振光(设置四分之一波片为45度)，经反射镜反射后改变圆偏振旋向。再次通过四分之一波片时，该光束偏振态变为线偏振，但其与第一次进入四分之一波片前的偏振方向垂直，这样就使得第二次由四分之一波片出射的光束完全由偏振分光棱镜反射，极大的提高了涡旋光的制备效率，装置示意如图1所示。假设有一束高斯光入射矩阵螺旋相位板，其入射前的表达式为：其中，E0为振幅，ω0为光腰半径，ω(z)为光强下降到时的光束半径，r为距光轴中心的距离。当高斯光第1次从矩阵螺旋相位板出射时其表达式为：当涡旋光由反射镜反射时其表达式为：当涡旋光反向穿过矩阵螺旋相位板时其表达式为：此时出射的涡旋光其拓扑荷数为-2l。该装置在设置时要注意反射镜3(8)和矩阵螺旋相位板(6)之间的距离，不可为了减少光程而使得二者之间过近，是因为高斯光在获得螺旋相位因子后不会立即产生奇点，需要一段距离才可以逐渐形成，高斯光在在获得螺旋相位因子后传输1mm，1cm，10cm的模拟光强分布如图2所示。本专利技术的方案与现有方案相比，主要优点在于：(1)光路简洁，对于光路的搭建没有过高的精度要求。(2)成本低廉，使用本方法可以重复利用同一块矩阵螺旋相位板进行拓扑荷数加倍。(3)转化效率高，该实验及装置对偏振态的控制极大的提高了制备涡旋光的转化效率。(4)有效弥补了矩阵螺旋相位板一旦制成，只能产生特定拓扑荷数的涡旋光的不足，为矩阵螺旋相位板的灵活使用提供了一种可靠方法。图1为涡旋光制备示意图；图2为拓扑荷数为1和10时的涡旋光强分布仿真图；图3为多通产生的拓扑荷数为10，12，14，16的涡旋光强分布图；图4为多通产生的拓扑荷数为10，12，14，16的涡旋光与参考光干涉图；具体实施方案本专利技术的实施对象为矩阵螺旋相位板，以RPCPHOTONICS公司生产的VPP-m633为例，具体实施步骤如下：首先，由激光器(1)产生高斯光束，由起偏器(2)保证高斯光束偏振态为线偏振，光束由起偏器出射后进入偏振分光棱镜(3)，分为偏振态互相垂直的两束线偏振光，一支由反射镜4(11)反射进入分光棱镜(9)作为参考光待与涡旋光发生干涉；其次，另一支进入矩阵螺旋相位板(6)使高斯光携带有螺旋相位因子exp(ilθ)，该涡旋光进入45度放置的四分之一波片(7)，使得该光束偏振态为圆偏振，当该光束经过反射镜3(8)，其反射光的螺旋相位因子exp(ilθ)变为exp(-ilθ)，圆偏振态旋向反向，其中l为拓扑荷数，θ为方位角。而后，该光束再次经过四分之一波片(7)后其偏振态变为线偏振且与入射前的线偏振方向垂直，涡旋光继续传输穿过矩阵螺旋相位板(6)进行拓扑荷数负数加倍，其螺旋相位因子由exp(-ilθ)变为exp(-2ilθ)，其拓扑荷数为-2l。最后，制备好的涡旋光束经反射镜4(11)进入分束镜(9)，同参考光进行干涉后由图像传感器(10)进行干涉条纹的检测，以判断加倍后的涡旋光束质量，拓扑荷数为10,12,14,16的涡旋光与参考光干涉条纹如图4所示。本专利技术书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备方法及装置，首先，一束具有高斯分布的光束通过矩阵螺旋相位板，出射光可获得螺旋相位，即制得具有对应拓扑荷数的涡旋光，其次，通过入射角为0度的反射镜改变涡旋光旋向，使涡旋光依原光路反向通过矩阵螺旋相位板，使涡旋光拓扑荷数以负数形式进行加倍完成涡旋光制备；在此方法的基础上，提出了一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备装置，它包括激光器(1)、起偏器(2)、偏振分光棱镜(3)、矩阵螺旋相位板(6)、四分之一波片(7)、反射镜1(4)、反射镜2(5)、反射镜3(8)、反射镜4(11)、分光棱镜(9)和图像传感器(10)。

【技术特征摘要】
1.一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备方法及装置，首先，一束具有高斯分布的光束通过矩阵螺旋相位板，出射光可获得螺旋相位，即制得具有对应拓扑荷数的涡旋光，其次，通过入射角为0度的反射镜改变涡旋光旋向，使涡旋光依原光路反向通过矩阵螺旋相位板，使涡旋光拓扑荷数以负数形式进行加倍完成涡旋光制备；在此方法的基础上，提出了一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备装置，它包括激光器(1)、起偏器(2)、偏振分光棱镜(3)、矩阵螺旋相位板(6)、四分之一波片(7)、反射镜1(4)、反射镜2(5)、反射镜3(8)、反射镜4(11)、分光棱镜(9)和图像传感器(10)。2.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：任元，王琛，刘通，邵琼玲，王卫杰，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11