产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，包括按光路设置的激光器、准直扩束系统、空间光调制器、4

【技术实现步骤摘要】
产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统


[0001]本专利技术涉及光学
，具体涉及一种产生任意阶交替光学涡旋阵列和带缺陷的可调有限光晶格的光学系统。

技术介绍

[0002]光学涡旋具有相位奇点，此处的相位不确定，其振幅和光强为零，形成暗中空结构的光强分布；涡旋光场的相位中有螺旋相位项说明其每个光子携带有的轨道角动量，其中l是光学涡旋的拓扑荷数，是方位角，是约化普朗克常数。光学涡旋具有暗中空结构和轨道角动量的特性可应用于信息传输、图像处理和光学微操纵等领域。
[0003]光学涡旋阵列是按照一定的数学结构排列的由多个光学涡旋构成的阵列结构，与单个光学涡旋相比，光学涡旋阵列增加了空间排布这一自由度，增强了其在信息传输领域中的信息编码能力。在光学微操作领域，它可以满足同时捕获、操纵和观测多个粒子的需求，因而逐渐成为新的研究热点。光学涡旋阵列的产生方法有多种，常见的有：多光束干涉法、螺旋相位滤波法、达曼光栅法和空间光调制法等。多光束干涉法可以制作多种结构的光学涡旋阵列，但用于实验中的干涉仪需要精确的位置调整，实验难度较大；螺旋相位滤波法可以产生任意形状和阵列的光学涡旋阵列，但实验中的螺旋相位板制作比较困难；达曼光栅法只能生成方形结构的光学涡旋阵列，且每个光学涡旋位置都受到衍射规则的限制。空间光调制法原理比较简单，首先设计出光学涡旋阵列的全息图，然后将全息图加载到空间光调制器上，最后再调整实验光路就可以得到目标的光学涡旋阵列，而且通过改变实时加载到空间光调制器上的全息图，我们可以灵活地调控产生的光学涡旋阵列。相比较而言，空间光调制法是产生光学涡旋阵列的简便方法。
[0004]空间光调制器是一种能用来调制光场的振幅、相位的器件，现有的空间光调制器大多仅能单一调制光波的振幅或光波的相位，要实现振幅和相位的同时独立调制即复振幅调制存在一定的困难。目前对加载到空间光调制器上的全息图进行复振幅编码是能有效实现复振幅调制的方法，其中，复振幅编码方式主要有两种：一种是光栅法，是将振幅信息编码进相位信息，再通过滤波，将复振幅信息重建出来[Applied Optics 38,5004
–
5013(1999)]。另一种是双相位编码法，是将一个复振幅分解为两个模相等的相位分量的叠加[Applied Optics 17,3874
–
3883(1978)]。

技术实现思路

[0005]本专利技术利用空间光调制法产生了一种任意阶交替光学涡旋阵列。为了使空间光调制器实现对光场的复振幅调制，本专利技术采用了光栅法对光学涡旋阵列的全息图进行复振幅编码。本专利技术产生的是任意阶交替光学涡旋阵列，阵列中光学涡旋的拓扑荷值交替地正、负变化和各光学涡旋之间的间距可以精准地调控，通过简单的实验光路，得到可控的带缺陷的有限光晶格，这在微粒操纵中具有非常重要的应用前景。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种产生任意阶交替光学涡旋阵列和
带缺陷可调有限光晶格的光学系统，包括按光路设置的激光器、准直扩束系统、空间光调制器、4
‑
f系统和图像探测器，所述空间光调制器可加载不同的任意阶交替光学涡旋阵列的全息图。
[0007]设任意阶交替光学涡旋阵列在初始平面的光场为：
[0008][0009]其中，(u,v)表示笛卡尔坐标系，u表示横坐标，v表示纵坐标；w0为入射高斯光束的束腰半径，G为光强归一化因子；φ(u,v)表示任意阶交替光学涡旋阵列的初始调制振幅与相位分布，φ(u,v)的表达式为：
[0010]φ(u,v)＝[cos(au)+isin(bv)]n
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0011]其中，a和b是调控任意阶交替光学涡旋阵列中u和v方向上光场的振幅和相位的参数，为实数；i表示虚数单位；n为正整数，代表任意阶交替光学涡旋阵列中每个光学涡旋的正、负拓扑荷数值的绝对值，这里交替光学涡旋指拓扑荷数值为
±
n的光学涡旋交替排列。
[0012]由于公式(2)不是纯相位的形式，可以将公式(2)中的振幅与相位信息同时编码成纯相位信息，得到纯相位的全息图，再将纯相位的全息图加载到相位型空间光调制器上，以实现复振幅调制。
[0013]激光器发出的线偏振高斯光经准直扩束系统照射到空间光调制器上进行复振幅调制，出射光的一级衍射光在第一个2
‑
f系统的后焦面上可通过光阑筛选出，即可得到任意阶交替光学涡旋阵列。生成的任意阶交替光学涡旋阵列在第二个2
‑
f系统的后焦面上可形成带缺陷的可调有限光晶格。
[0014]通过调整公式(2)中的拓扑荷数n、参数a和b，利用光栅法进行复振幅编码，可得到不同的任意阶交替光学涡旋阵列全息图，然后在相位型空间光调制器上加载不同的任意阶交替光学涡旋阵列全息图，可以实现对可调有限光晶格中的光斑亮点数目或光斑亮点间距的控制。
[0015]当参数a和b相等时，在第二个2
‑
f系统的后焦面上可产生方形有限光晶格阵列；当参数a和b不相等时，则在第二个2
‑
f系统的后焦面上可产生菱形有限光晶格阵列。当参数a和b变小时，可调方形或菱形有限光晶格中的各光斑亮点间距会减小；反之，则变大。
[0016]当控制拓扑荷数值的参数n增大时，可调方形或菱形的有限光晶格中的光斑亮点数目将增加；并且在特定n值时，可产生带缺陷的有限光晶格阵列。
[0017]所述准直扩束系统按照光路的设置依次包括半波片、偏振分光棱镜、扩束镜；
[0018]所述半波片固定在可旋转的光学镜架上，通过半波片绕光传播方向旋转，可改变出射光的偏振方向；
[0019]所述偏振分光棱镜通过介质分束膜来反射竖直偏振光透过水平偏振光；通过旋转半波片，可改变偏振分光棱镜出射光的光强度；
[0020]所述扩束镜实现光束的准直和扩束，以匹配相位型空间光调制器的液晶面板；
[0021]所述相位型空间光调制器与计算机相连，通过计算机上的空间光调制器控制软件，可以将任意阶交替光学涡旋阵列的全息图加载到相位型空间光调制器上。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023](1)产生的任意阶交替光学涡旋阵列中的每个涡旋的正、负拓扑荷数值(由参数n
的值决定)和涡旋之间的间距(由参数a和b的值决定)可以精准地控制；生成的带有光晶格缺陷的可调有限空间光晶格能应用于多个微粒的光学操控，及光与原子、分子等微观粒子的精密量子操控。
[0024](2)光路简洁，节约了实验器材和空间，对光路精准程度的要求较低，具有较强的适用性和灵活性。
附图说明
[0025]图1为任意阶交替光学涡旋阵列中各交替光学涡旋拓扑荷数值的绝对值n从1变化到5的振幅(上排图像)和相位(下排图像)分布图，其中a＝b＝5mm
‑1。
[0026]图2为产生任意阶交替光学涡旋阵列和带缺陷的可调有限光晶格的光路图。
[0027]其中：1、激光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，包括按光路设置的激光器、准直扩束系统、空间光调制器、4
‑
f系统和图像探测器，其特征在于：所述空间光调制器加载不同的任意阶交替光学涡旋阵列的全息图，所加载的任意阶交替光学涡旋阵列的初始调制振幅与相位分布φ(u,v)表示为：φ(u,v)＝[cos(au)+isin(bv)]
n
其中，(u,v)表示笛卡尔坐标系；a和b是调控任意阶交替光学涡旋阵列中u和v方向上光场的振幅和相位的参数，为实数；i表示虚数单位；n为正整数，代表任意阶交替光学涡旋阵列中每个光学涡旋的正、负拓扑荷数值的绝对值；所述交替光学涡旋指拓扑荷值为
±
n的光学涡旋交替排列；通过改变n参数控制产生拓扑荷为
±
n的交替光学涡旋阵列，以及产生光斑数目不同的光晶格点阵和带特定光晶格缺陷的有限光晶格阵列。2.根据权利要求1所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：所述任意阶交替光学涡旋阵列在初始平面的光场为：其中，w0为入射高斯光束的束腰半径，G为光强归一化因子。3.根据权利要求1所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：所加载的任意阶交替光学涡旋阵列的初始调制振幅与相位分布中，将振幅与相位信息同时编码成纯相位信息，得到纯相位的全息图，再将所述纯相位的全息图加载到相位型空间光调制器上，以实现复振幅调制。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，其特征在于：所述激光器出射的线偏振高斯光经所述准直扩束系统后照射到所述空间光调制器，进行复振幅调制后出射光的一级衍射光在第一个2
‑
f系统的后焦面上生成任意阶交替光学涡旋阵列，在第二个2
‑
f系统的后焦面上生成可带缺陷的可调有限光晶格。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立刚，刘大东，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：