一种基于交叉相位的类厄米特高斯光束的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于交叉相位的类厄米特高斯光束的制备方法。交叉相位是一种特殊的光场相位结构，类厄米特高斯光束是一种特殊的光场，其相位分布与拉盖尔高斯光束相同，强度分布与厄米特高斯光束相同。利用多参量联合调控技术制备携带拉盖尔高斯光束与交叉相位信息的全息图样，并加载到空间光调制器，一束线偏振高斯光束照射到空间光调制器进行复振幅调制，出射光为携带交叉相位的拉盖尔高斯光，传播一段距离后即可在近场条件下生成类厄米特高斯光。本方法光路简洁，属于激光操控领域，可应用于类厄米特高斯光束的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种基于交叉相位的类厄米特高斯光束的制备方法
本专利技术涉及一种基于交叉相位的类厄米特高斯光束的制备方法。交叉相位是一种特殊的光场相位结构，厄米特高斯光束是笛卡尔坐标系下近轴波动方程的一组解，拉盖尔高斯光束是柱坐标系下近轴波动方程的一组解。交叉相位可以利用拉盖尔高斯光束制备类厄米特高斯光。利用多参量联合调控技术制备携带拉盖尔高斯光信息与交叉相位的全息图样，并加载到空间光调制器，一束线偏振高斯光束照射到空间光调制器进行复振幅调制，出射光为携带交叉相位的拉盖尔高斯光，传播一段距离后即可在近场条件下生成类厄米特高斯光。本方法光路简洁，属于激光操控领域，可应用于类厄米特高斯光的制备与模式检测。技术背景涡旋光是一种具有螺旋波阵面和特殊光强分布的光场，拉盖尔高斯光是一种典型的涡旋光。光场中的涡旋现象最初由Boivin、Dow和Wolf于1967年在透镜组的焦平面附近发现。1973年，Bryngdahl首次开展了对制备涡旋光实验方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用连续激光成功制备了涡旋光。1990年Yu、BazgenovV首次使用光栅法完成了涡旋光的制备。涡旋光的相位中含有角相位因子exp(ilΦ)，其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，Φ为方位角；每个光子携带的轨道角动量，为普朗克常数，该角相位因子说明涡旋光在传播过程中，若绕光轴传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2πl；螺旋形相位的中心是一个相位奇点，该处的相位不确定，并且光场振幅为零，因此在光场中心处形成了中空暗核。目前，涡旋光在光学微操控、高维量子态、利用旋转多普勒效应对物体的角速度进行遥感等领域的应用非常广泛。交叉相位是一种特殊的相位结构，近年来被用于涡旋光的制备与模式检测，为实验室制备涡旋光提供了一种全新的方法，并且3阶以上的高阶交叉相位可用于涡旋光的整形与多极点操控，进一步拓宽了涡旋光的应用领域。类厄米特高斯光束是一种特殊的光场，利用交叉相位制得的类厄米特高斯光束，其相位分布与拉盖尔高斯光束相同、强度分布与厄米特高斯光束相同。因此类厄米特高斯光束可以实现拓扑荷数的自测，并且可从柱透镜的相位分布中解耦出球透镜的相位分布，使其在近场或远场情况下都具备较高的可操控性；其次，类厄米特高斯光束在远场情况下依旧具有稳定的强度分布，并且可进行极点的控制，在3D光镊操控等前沿领域具有广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：针对目前拉盖尔高斯光束与厄米特高斯光束操控较为困难，提出了一种基于交叉相位的类厄米特高斯光束的制备方法，该方法光路简洁，可根据实验室需求运用交叉相位灵活制备类厄米特高斯光束。本专利技术的技术解决方案是：本专利技术涉及一种基于交叉相位的类厄米特高斯光束的制备方法，其主要包括以下步骤：(1)利用多参量联合调控技术将拉盖尔高斯光束的全息图与交叉相位相乘后叠加闪耀光栅，获得可以进行精确调控的全息图样，并加载到空间光调制器。(2)激光器发出的圆偏振高斯光经过偏振器转换为线偏振高斯光，经过光束准直系统调整后照射到空间光调制器上进行复振幅调制，出射光即为携带交叉相位的拉盖尔高斯光束，传播一段距离后在近场条件下即可演化为所需的类厄米特高斯光束，实现类厄米特高斯光束的制备，如图1所示。本专利技术的原理是：类厄米特高斯光束是一种特殊的光场，其相位分布与拉盖尔高斯光束相同、强度分布与厄米特高斯光束相同。其中，厄米特高斯光束是笛卡尔坐标系下近轴波动方程的一组解，拉盖尔高斯光束是柱坐标系下近轴波动方程的一组解。通过施加交叉相位，可以在传播一定距离的条件下实现类厄米特高斯光束的制备。首先利用多参量联合调控技术获得交叉相位的分布图，其次，获得拓扑荷数l＝5的涡旋光全息图，该全息图可通过纯相位空间光调制器对入射光实现相位和强度的调控；将该全息图与交叉相位相乘后，叠加闪耀光栅，使调制后光束与杂散光分离，获得可以进行精确调控的全息图样，如图2所示。交叉相位是一种特殊的相位结构，被用来实现拉盖尔高斯光与厄密特高斯光之间的相互转换，也可用于涡旋光的整形与多极点操控，其在笛卡尔坐标系下的表达式为：ψ(x,y)＝u(xcosθ-ysinθ)(xsinθ+ycosθ)(1)其中，ψ表示交叉相位，(x,y)表示笛卡尔坐标，x为横坐标，y为纵坐标，u为控制光束转换效率的强度因子，方位角θ表示光束在某一平面内旋转角度的方位因子。当θ＝0时，(1)式可以简化为：ψ(x,y)＝uxy(2)交叉相位可从柱透镜的相位分布中解耦出球透镜的相位分布，对于垂直放置的柱透镜，其相位分布可以表示为：式(3)可以变换为：其中，为柱透镜的相位分布函数，k为角波数，f为柱透镜的焦距，x为横坐标，y为纵坐标，i为虚数单位。结合式(1)所表示的交叉相位，可将柱透镜的相位分布表示为：由上式可得，一个垂直放置的柱透镜可以等效为一个球透镜与一个交叉相位的叠加，且该交叉相位在相位平面内旋转45°。同时，我们需要调整交叉相位中控制光束转换效率的强度因子u，以满足不同的初始条件。对于柱透镜，入射光的束腰半径需要满足以下条件：其中，ω为入射光的束腰半径，f为柱透镜的焦距，λ为入射光的波长。因此，在式(5)中，若使强度因子u的值等于k/2f，则可得强度因子与入射光束腰半径之间的关系为：假设有一束线偏振高斯光入射到空间光调制器，其入射前的表达式为：其中，E表示线偏振高斯光波函数，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，其光强分布如图3所示。光束经过空间光调制器进行复振幅调制，根据菲涅尔衍射原理，当光束传播一定距离z后，类厄米特高斯光束表达式为：其中E1为传播一段距离后的类厄米特高斯光波函数，k为角波数，λ为光的波长，为傅里叶变换。当光束的束腰半径为1mm，交叉相位的旋转角度为时，拓扑荷数为2的类厄米特高斯光束随传播距离的演化如图4所示，其强度分布如图4(a)及图4(c)所示，相位分布如图4(b)及图4(d)所示。由图中可得，其强度分布与厄米特高斯光束一致，相位分布与拉盖尔高斯光束一致。类厄米特高斯光束具备模式数自测的能力。使用拓扑荷数分别为2、3、4、5的拉盖尔高斯光全息图与交叉相位叠加制得类厄米特高斯光束，其强度分布如图5(a)所示，相位分布如图5(b)所示。由图中可得，根据光束强度分布的集中区域，可以直接读出四束光的拓扑荷数分别为2、3、4、5。拓扑荷数符号不同的类厄米特高斯光束，其强度、相位分布也不同。使用拓扑荷数分别为+5和-5的拉盖尔高斯光全息图与交叉相位叠加制得类厄米特高斯光束，其强度分布如图5(a)所示，相位分布如图5(b)所示。由图中可得，强度呈竖向分布的光束，拓扑荷数为+5，强度呈横向向分布的光束，拓扑荷数为-5。同时，通过改变交叉相位中光束在平面上旋转的角度可以控制类厄米特高斯光束的强度分布，使其指向平面上的任本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于交叉相位的类厄米特高斯光束的制备方法，其特征在于：交叉相位是一种特殊的光场相位结构，类厄米特高斯光束是一种特殊的光场，可以利用交叉相位制备类厄米特高斯光束；利用多参量联合调控技术制备携带拉盖尔高斯光信息与交叉相位的全息图样，并加载到空间光调制器，一束线偏振高斯光束照射到空间光调制器进行复振幅调制，出射光为携带交叉相位的拉盖尔高斯光束，传播一段距离后即可在近场条件下生成类厄米特高斯光束。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于交叉相位的类厄米特高斯光束的制备方法，其特征在于：交叉相位是一种特殊的光场相位结构，类厄米特高斯光束是一种特殊的光场，可以利用交叉相位制备类厄米特高斯光束；利用多参量联合调控技术制备携带拉盖尔高斯光信息与交叉相位的全息图样，并加载到空间光调制器，一束线偏振高斯光束照射到空间光调制器进行复振幅调制，出射光为携带交叉相位的拉盖尔高斯光束，传播...

【专利技术属性】
技术研发人员：任元，王琛，刘通，李修乾，李晋川，丁友，陈琳琳，陈晓岑，
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