一种广义涡旋光束设计方法及制备方法技术

本发明专利技术公开的一种广义涡旋光束设计方法及制备方法，属于涡旋光束、结构光束领域。本发明专利技术主要实现以下三个目的。目的一：将单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，相位梯度分布沿角向呈现函数式非均匀变化，增加涡旋光束设计的自由度，增加涡旋光束调控手段；目的二：将涡旋光束传统的甜甜圈形式的恒定半径圆形结构，通过利用函数式相位分布对涡旋光束进行调控，使涡旋光束形状不受恒定半径约束，实现任意光束轮廓形式的设计自由；目的三：在目的一增加涡旋光束调控手段和目的二实现任意光束轮廓形式的设计自由基础上，能够在有限拓扑荷范围内实现无限通道设计的自由，显著增强涡旋光束携带光学信息容量。显著增强涡旋光束携带光学信息容量。显著增强涡旋光束携带光学信息容量。

【技术实现步骤摘要】
一种广义涡旋光束设计方法及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种广义涡旋光束设计方法及制备方法，尤其涉及一种基于相位微分梯度变化的广义涡旋光束设计方法及制备方法，属于涡旋光束、结构光束领域。

技术介绍

[0002]涡旋光束是一种携带轨道角动量(OAM)的特殊的结构光束，它的主要特征由其相位分布表达e
ilθ
。螺旋形相位波前，甜甜圈状环形强度分布以及独特的相位奇点构成了涡旋光束的最基本特征。随着人们对其基本理论的不断开发与应用，涡旋光束凭借其独特的优越性逐渐应用到许多研究和生产领域。比如在光学通信领域，由于轨道角动量的正交特性以及理论无限的通道数量，将涡旋光束应用于信息传输则能够极大规模的拓展通信通道数目，理论上能够达到无限多个。在粒子操控领域，涡旋光具有的独特的光梯度力能够更好地实现粒子捕获，提高粒子操控的精密程度。除此之外，涡旋光束在成像全息，信息加密，以及量子光学领域也都能够发挥自身的特点。然而，目前针对涡旋光束的探索仅仅停留在轨道角动量拓扑荷数的层面。这种能够引入无限正交通道的新参量已经大大丰富了光学特征的内涵，但仍具有很大的可探索空间。拓扑荷函数以离散整数的形式定义了光场的相位分布特征，这种定义简明直接，但是不够细致具体，忽略了其沿参数空间路径变化的细节分布规律。实际上针对涡旋光束整个光场不同位置的相位分布特征，并不一定都对应常数相位梯度，这种随角向位置变化的相位梯度变分，能够拓展涡旋光束的基本定义，十分值得投入更多的探索。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术中涡旋光束生成参数单一、光束强度结构形式不自由、在无限轨道角动量实际应用受限的问题，本专利技术公开的一种广义涡旋光束设计方法及制备方法目的是：目的一：将单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，相位梯度分布沿角向呈现函数式非均匀变化，增加涡旋光束设计的自由度，进而增加涡旋光束调控手段；目的二：将涡旋光束传统的甜甜圈形式的恒定半径圆形结构，通过利用函数式相位分布对涡旋光束进行调控，使涡旋光束形状不受恒定半径约束，实现任意光束轮廓形式的设计自由；目的三：在传统涡旋光束设计中，在一定拓扑荷范围内用于正交通道是有限的，在目的一增加涡旋光束调控手段和目的二实现任意光束轮廓形式的设计自由基础上，能够在有限拓扑荷范围内实现无限通道设计的自由，显著增强涡旋光束携带光学信息容量。
[0004]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0005]本专利技术公开的一种广义涡旋光束设计方法及制备方法，包括如下步骤：
[0006]步骤一：将单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，相位梯度分布沿角向呈现函数式非均匀变化，增加涡旋光束设计的自由度，进而增加涡旋光束调控手段。
[0007]步骤1.1：在涡旋光束的基本定义公式中，拓扑电荷数作为描述环绕光学奇点的累
积相位梯度的特征表达，为涡旋光束的唯一可调控参数。基于涡旋光束的基本定义公式，将单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，建立环绕相位奇点相位微分和涡旋光束拓扑电荷数之间的关联。
[0008]在涡旋光束的基本定义公式(1)中，拓扑电荷数l作为描述环绕光学奇点的累积相位梯度的特征表达，是传统涡旋光束的唯一可调控参数；涡旋光束的基本定义如公式(1)所示：
[0009][0010]其中C表示环绕奇点的闭合路径：
[0011][0012]在环绕奇点的闭合路径C上，公式(1)中的定义累积相位梯度和微分步长ds如公式(3)所示：
[0013][0014]结合公式(1)(2)(3)，将单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，建立环绕相位奇点相位微分和涡旋光束拓扑电荷数之间的关联，即得到涡旋光束的相位分布以及拓扑电荷数的表达如公式(4)所示：
[0015][0016]式中，相位微分函数：用以描述环绕奇点不同方位角位置上的相位变化梯度。拓扑电荷数L0则用以表示环绕整个奇点的相位平均变化。根据公式(4)，对于传统涡旋光束，l(θ)＝L0，环绕奇点的相位分布是均匀的，对于广义涡旋光束，相位梯度分布沿角向呈现函数式非均匀变化，相位微分不恒等于拓扑电荷数。
[0017]步骤1.2：为满足涡旋光束闭合路径的积分特征，即保证不违背涡旋光束设计的基本要求，在0和2π的相位交替位置，给出满足相位连续和平滑的约束条件，选取满足所述约束条件函数形式的相位分布，将步骤1.1中单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，进而能够通过改变为函数形式，增加涡旋光束设计的自由度，进而增加涡旋光束调控手段。
[0018]为满足涡旋光束闭合路径的积分特征，即保证不违背涡旋光束设计的基本要求，在0和2π的相位交替位置，给出满足相位连续和平滑的约束条件如公式(5)所示，选取满足所述约束条件函数形式的相位分布，将步骤1.1中单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，进而能够通过改变为函数形式，增加涡旋光束设计的自由度，进而增加涡旋光束调控手段；
[0019][0020]6、如权利要求5所述的一种广义涡旋光束设计方法及制备方法，其特征在于：步骤
2.1实现方法为，
[0021]基于广义斯涅耳定律，构建相位分布和出射角度之间的关联如公式(6)所示：
[0022][0023]式中，表示xOy平面任意方向s的相位梯度；
[0024]在笛卡尔坐标系下，仅考虑垂直光束入射的情况下，式(6)改写为：
[0025][0026]式中α
x
和α
y
是分别参照xOy坐标系坐标轴方向的折射角；实际沿方向角θ的出射角表示为：
[0027][0028]根据笛卡尔坐标系下方位角和坐标之间的关系，沿坐标轴方向的相位梯度化简为：
[0029][0030]由公式(6)(7)(8)(9)，构建涡旋相位分布与沿径向出射角度的线性对应关系如公式(10)所示：
[0031][0032]式中，α
θ
表示光束的出射角。
[0033]步骤2.2：步骤2.1中得到的涡旋相位分布与出射角度的线性关联；参考实空间和波矢空间的坐标变换关系，构建实空间涡旋光束出射角度与波矢空间涡旋光束轮廓半径之间的关联；结合涡旋相位分布与出射角度的线性关联、实空间涡旋光束出射角度与波矢空间涡旋光束轮廓半径之间的关联，即能够构建波矢空间中广义涡旋光束半径轮廓与实空间相位分布之间的关系。
[0034]在公式(10)中，在相位分布上任一单元面积rdrdθ,沿轴向和径向定义变化步长从r到r+dr，和从θ到θ+dθ。光束出射的空间角用波矢表示为kdkdθ
′
,其中径向坐标系下的波矢为波矢空间的角向坐标应对应变成θ
′
＝θ+2π。传播光束的强度分布依赖于入射光强，表示为：
[0035]I
′
kdkdθ
′
＝I0rdrdθ
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(11)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种广义涡旋光束设计方法及制备方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：将单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，相位梯度分布沿角向呈现函数式非均匀变化，增加涡旋光束设计的自由度，进而增加涡旋光束调控手段；步骤二：将涡旋光束传统的甜甜圈形式的恒定半径圆形结构，利用步骤一得到的函数式相位分布对涡旋光束进行调控，使涡旋光束形状不受恒定半径约束，实现任意光束轮廓形式的设计自由；步骤三：在传统涡旋光束设计中，在一定拓扑荷范围内，用于正交通道是有限的，在步骤一增加广义涡旋光束调控手段和步骤二实现任意光束轮廓形式的设计自由基础上，能够在有限拓扑荷范围内实现无限通道设计的自由，显著增强涡旋光束携带光学信息容量。2.如权利要求1所述的一种广义涡旋光束设计方法及制备方法，其特征在于：步骤一实现方法为，步骤1.1：在涡旋光束的基本定义公式中，拓扑电荷数作为描述环绕光学奇点的累积相位梯度的特征表达，为涡旋光束的唯一可调控参数；基于涡旋光束的基本定义公式，将单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，建立环绕相位奇点相位微分和涡旋光束拓扑电荷数之间的关联；步骤1.2：为满足涡旋光束闭合路径的积分特征，即保证不违背涡旋光束设计的基本要求，在0和2π的相位交替位置，给出满足相位连续和平滑的约束条件，选取满足所述约束条件函数形式的相位分布，将步骤1.1中单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，进而能够通过改变为函数形式，增加涡旋光束设计的自由度，进而增加涡旋光束调控手段。3.如权利要求2所述的一种广义涡旋光束设计方法及制备方法，其特征在于：步骤二实现方法为，步骤2.1：基于广义斯涅耳定律，构建相位分布和出射角度之间的关联；在笛卡尔坐标系下，仅考虑垂直光束入射的情况下，构建涡旋相位分布与沿径向出射角度的线性对应关系，所述涡旋相位分布为步骤一得到的函数式相位分布；步骤2.2：步骤2.1中得到的涡旋相位分布与出射角度的线性关联；参考实空间和波矢空间的坐标变换关系，构建实空间涡旋光束出射角度与波矢空间涡旋光束轮廓半径之间的关联；结合涡旋相位分布与出射角度的线性关联、实空间涡旋光束出射角度与波矢空间涡旋光束轮廓半径之间的关联，即能够构建波矢空间中广义涡旋光束半径轮廓与实空间相位分布之间的关系；步骤2.3：基于步骤2.2构建的波矢空间中广义涡旋光束半径轮廓与实空间相位分布之间的关系，在同一光场坐标下整个传输变换过程中，建立广义涡旋光束半径轮廓与相位分布特征之间的关联；针对任意目标图案广义涡旋光束，根据所述广义涡旋光束半径轮廓与相位分布特征之间的关联计算对应的相位分布特征，使广义涡旋光束形状不受恒定半径约束，实现任意光束轮廓形式的设计自由；步骤2.3所述整个传输变换过程指包含相位控制平面和波矢平面在内的整个物理空间中的广义涡旋光束的传输变化过程。4.如权利要求3所述的一种广义涡旋光束设计方法及制备方法，其特征在于：步骤1.1实现方法为，
在涡旋光束的基本定义公式(1)中，拓扑电荷数l作为描述环绕光学奇点的累积相位梯度的特征表达，是传统涡旋光束的唯一可调控参数；涡旋光束的基本定义如公式(1)所示：其中C表示环绕奇点的闭合路径：在环绕奇点的闭合路径C上，公式(1)中的定义累积相位梯度和微分步长ds如公式(3)所示：结合公式(1)(2)(3)，将单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，建立环绕相位奇点相位微分和涡旋光束拓扑电荷数之间的关联，即得到涡旋光束的相位分布以及拓扑电荷数的表达如公式(4)所示：式中，相位微分函数：用以描述环绕奇点不同方位角位置上的相位变化梯度；拓扑电荷数L0则用以表示环绕整个奇点的相位平均变化；根据公式(4)，对于传统涡旋光束，l(θ)＝L0，环绕奇点的相位分布是均匀的，对于广义涡旋光束，相位梯度分布沿角向呈现函数式非均匀变化，相位微分不恒等于拓扑电荷数。5.如权利要求4所述的一种广义涡旋光束设计方法及制备方法，其特征在于：步骤1.2实现方法为，为满足涡旋光束闭合路径的积分特征，即保证不违背涡旋光束设计的基本要求，在0和2π的相位交替位置，给出满足相位连续和平滑的约束条件如公式(5)所示，选取满足所述约束条件函数形式的相位分布，将步骤1.1中单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，进而能够通过改变为函数形式，增加...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玲玲，张雪，王涌天，李晓炜，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：