專(zhuān)利名稱(chēng)：光束發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光束發(fā)生裝置，其產(chǎn)生在光束截面上具有規(guī)定的 相位分布的光。
背景技術(shù)：
對(duì)于產(chǎn)生在光束截面上具有規(guī)定的相位分布的光的光束發(fā)生裝
置，己知有專(zhuān)利文獻(xiàn)1及非專(zhuān)利文獻(xiàn)1 7所記載的裝置。這些文獻(xiàn)中 記載的光束發(fā)生裝置產(chǎn)生在光束截面上相位沿圓周方向發(fā)生變化的拉 蓋爾-高斯模式(Laguerre-GaussianMode)光(以下稱(chēng)為"LG模式光") 的裝置。這樣的LG模式光期待著應(yīng)用于光鑷、量子計(jì)算和量子通信等 中，目前，在光學(xué)/物理領(lǐng)域受到矚目。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1:特表2001-523396號(hào)公報(bào)
非專(zhuān)利文獻(xiàn)1: J. Arlt, et al., Journal of Modern Optics, Vol.45, No.6, pp.l231陽(yáng)1237(1998).
非專(zhuān)利文獻(xiàn)2: D. G. Grier， Nature, Vol.424, pp.810-816 (2003).
非專(zhuān)禾l儀獻(xiàn)3: M. W. Beijersbergen， et al., Optics Communications, Vol.112， pp.321-327 (1994).
非專(zhuān)利文獻(xiàn)4: K. Sueda， et al., Optics Express, Vol.12, No.15, pp.3548-3553 (2004).
非專(zhuān)利文獻(xiàn)5: N. R. Heckenberg, et al.， Optics Letters, Vol.17, No.3, pp.221-223 (1992).
非專(zhuān)禾U文獻(xiàn)6: N. R. Heckenberg, et al.， Optical and Quantum Electronics, Vol.24， No.24， pp. 15 5-166 (1992).
非專(zhuān)利文獻(xiàn)7: J. Arlt, T. Hitomi， K. Dholakia, Applied Physics,B， Vol.71, pp.549-554 (2000).

發(fā)明內(nèi)容
上述的現(xiàn)有的光束發(fā)生裝置在謀求LG模式光的進(jìn)一步的應(yīng)用方
3面，不具有足夠的功能。即，在上述現(xiàn)有的方法中，雖然可以發(fā)生在
LG模式光中具有高次偏角指數(shù)的光，但是，不能夠系統(tǒng)地且以在實(shí)用 性方面有足夠的品質(zhì)的方式產(chǎn)生例如在搬運(yùn)被捕捉的原子方面具有優(yōu) 選的性質(zhì)的高次動(dòng)徑指數(shù)的LG模式光。本發(fā)明是為了解決上述問(wèn)題而 完成的，其目的在于提供一種能夠產(chǎn)生期待著進(jìn)一步的應(yīng)用的LG模式 光的光束發(fā)生裝置。
本發(fā)明所涉及的光束發(fā)生裝置，其特征為，具備(1)輸出相干 光的光源；(2)光相位調(diào)制元件，輸入從光源輸出的光，根據(jù)該光的 光束截面上的位置對(duì)該光進(jìn)行相位調(diào)制，并輸出該相位調(diào)制后的光。 進(jìn)一步，本發(fā)明所涉及的光束發(fā)生裝置的特征在于，在被輸入到光相 位調(diào)制元件上的光的光束截面上，在設(shè)定以規(guī)定位置為原點(diǎn)的極坐標(biāo) 系(r， e)，并且設(shè)定由以規(guī)定位置為中心的p個(gè)圓周劃分的(p+l) 個(gè)區(qū)域時(shí)，在這些(p+l)個(gè)區(qū)域中，從內(nèi)側(cè)開(kāi)始計(jì)算的第偶數(shù)個(gè)區(qū)域 內(nèi)的各位置上的相位調(diào)制量-用式"- = 一"表示，從內(nèi)側(cè)開(kāi)始計(jì)算的 第奇數(shù)個(gè)區(qū)域內(nèi)的各位置上的相位調(diào)制量^用式"^-一 + ;r"表示。在 此，p為自然數(shù)，q為0以外的整數(shù)。而且，優(yōu)選光相位調(diào)制元件為根 據(jù)從外部輸入的控制信號(hào)設(shè)定各像素的相位調(diào)制量的元件。而且，在n 為整數(shù)時(shí)，任意的相位a和相位(a+2n兀)相互等價(jià)，而且，相位調(diào)制 量的分布^可以不管偏置值而只以相對(duì)值為問(wèn)題即可?？紤]到這些問(wèn) 題，光相位調(diào)制元件中的相位調(diào)制量^可以限制在從相位(x到相位 (a+2兀)的范圍內(nèi)，而且，a可以為值0。
本發(fā)明所涉及的光束發(fā)生裝置能夠產(chǎn)生期待著進(jìn)一步的應(yīng)用的高 次LG模式光。


圖1為本實(shí)施方式所涉及的光束發(fā)生裝置1的構(gòu)成圖。
圖2為表示光相位調(diào)制元件15中的相位調(diào)制量的分布的例子的圖。
圖3為表示光相位調(diào)制元件15中的相位調(diào)制量的分布的例子的圖。
圖4為表示光相位調(diào)制元件15中的相位調(diào)制量的分布的例子的
4圖。
圖5為表示2個(gè)光相位調(diào)制元件中各自的相位調(diào)制量的分布的例 子的圖。
圖6為表示從本實(shí)施方式所涉及的光束發(fā)生裝置1輸出的LG模式
光的光束截面上的強(qiáng)度分布(實(shí)測(cè)值)的例子的圖。
圖7為表示從本實(shí)施方式所涉及的光束發(fā)生裝置1輸出的LG模式 光的光束截面上的強(qiáng)度分布(理論值)的例子的圖。
圖8為表示從本實(shí)施方式所涉及的光束發(fā)生裝置1輸出的LG模式 光的光束截面上的強(qiáng)度分布的例子的圖。
符號(hào)說(shuō)明
1…光束發(fā)生裝置、10…激光光源、11、 12…凸透鏡、13…光柵 (aperture)、 14…分光器、15…光相位調(diào)制元件、16…平面鏡、17、 18… 凸透鏡、19…CCD照相機(jī)
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。在 此，在

中，對(duì)同一要素標(biāo)記同一符號(hào)，省略重復(fù)的說(shuō)明。
圖1為本實(shí)施方式所涉及的光束發(fā)生裝置1的構(gòu)成圖。該圖所示 的光束發(fā)生裝置1具備激光光源10、凸透鏡ll、凸透鏡12、光柵13、 分光器14、光相位調(diào)制元件15、平面鏡16、凸透鏡17、凸透鏡18和 CCD照相機(jī)19。
激光光源IO為輸出相干激光的光源，例如He-Ne激光光源等。凸 透鏡11和凸透鏡12作為擴(kuò)束器起作用，輸入從激光光源IO輸出的光， 將該光的光束半徑擴(kuò)大，并將該光作為平行光輸出。光柵13具有圓形 的開(kāi)口，輸入從透鏡11和透鏡12輸出的光，并輸出該光的光束截面 中通過(guò)開(kāi)口的部分。分光器14使從光柵13到達(dá)的光的一部分透過(guò)并 向光相位調(diào)制元件15輸出，并且，使從光相位調(diào)制元件15到達(dá)的光 的一部分反射并向平面鏡16輸出。
光相位調(diào)制元件15輸入從激光光源IO輸出并經(jīng)過(guò)分光器14的光， 根據(jù)該光的光束截面上的位置對(duì)該光進(jìn)行相位調(diào)制，并向分光器14輸出該相位調(diào)制后的光。光相位調(diào)制元件15可以為通過(guò)對(duì)玻璃板等的表 面進(jìn)行加工而具有厚度分布的元件，但是，優(yōu)選為根據(jù)從外部輸入的
控制信號(hào)設(shè)定各像素的相位調(diào)制量的元件(SLM: Spatial Light Modulator)。在將SLM作為光相位調(diào)制元件15使用的情況下，可以 電寫(xiě)入相位調(diào)制量的空間分布，必要時(shí)能夠賦予各種相位調(diào)制分布。
平面鏡16反射從分光器14到達(dá)的光，并向透鏡17輸出該反射的 光。透鏡17和透鏡18輸入被平面鏡16反射的光，調(diào)整該光的光束半 徑，并將該光作為平行光輸出。CCD照相機(jī)19輸入從透鏡17和透鏡 18輸出的光，并檢測(cè)該光的光束截面上的光強(qiáng)度分布。
在該光束發(fā)生裝置1中，從激光光源IO輸出的相千激光被凸透鏡 11和凸透鏡12擴(kuò)大光束半徑之后，該光束截面的一部分通過(guò)光柵13 的圓形的開(kāi)口，光束截面取為圓形，進(jìn)而，透過(guò)分光器14并向光相位 調(diào)制元件15輸入。輸入到光相位調(diào)制元件15中的光，根據(jù)光束截面 上的位置，受到該光相位調(diào)制元件15的相位調(diào)制，并被反射。
受到光相位調(diào)制元件15的相位調(diào)制并被反射的光，被分光器14 反射，進(jìn)而，被平面鏡16反射，被凸透鏡17和凸透鏡18調(diào)整光束半 徑，入射到CCD照相機(jī)19的受光面上，并由該CCD照相機(jī)19檢測(cè) 光束截面上的光強(qiáng)度分布。
以下，對(duì)在光相位調(diào)制元件15中賦予光的相位調(diào)制量進(jìn)行更詳細(xì) 的說(shuō)明。在輸入到光相位調(diào)制元件15上的光的光束截面上，設(shè)定以規(guī) 定位置(圓形的光束截面中的中心位置)作為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系(r， e)， 并且，設(shè)定由以該規(guī)定位置作為中心的p個(gè)半徑ri rp的各個(gè)圓周所劃 分的(p+l)個(gè)區(qū)域AQ AP。從內(nèi)側(cè)開(kāi)始依次記為區(qū)域AQ、 A,、 A2、…、 Ap。區(qū)域Ao為半徑n的圓周的內(nèi)側(cè)的區(qū)域，區(qū)域Ai為半徑rw的圓周 和半徑ri的圓周之間的區(qū)域(i=l、 2、 3、…、p)。
此時(shí)，如下述式(1)所示，在第偶數(shù)個(gè)區(qū)域A。、 A2、 A4、…的 各個(gè)區(qū)域內(nèi)的各位置上的相位調(diào)制量-用式"0 = W表示。而且，在 第奇數(shù)個(gè)區(qū)域A,、 A3、 A5、…的各個(gè)區(qū)域內(nèi)的各位置上的相位調(diào)制量 0用式"0 = ^ + ;^"表示。在此，p稱(chēng)為動(dòng)徑指數(shù)，其為自然數(shù)。另外， q稱(chēng)為偏角指數(shù)，其為0以外的整數(shù)?！?9 (區(qū)J^o，K,…) ,6>) = <^ 、 。
2 4 , …(l)
1《6> +兀(區(qū)域4，4，4，…)
在此，在n為整數(shù)時(shí)，任意的相位(x和相位((x+2rm)相互等價(jià)， 而且，相位調(diào)制量的分布^(r,?？梢圆还芷弥刀灰韵鄬?duì)值為問(wèn)題即 可?？紤]到這些問(wèn)題，上述式(1)中表示的相位調(diào)制量^可以限制在 從相位a到(a+2兀)的范圍內(nèi)。a為任意值，但是，為了計(jì)算公式的 方便，優(yōu)選為值O。
對(duì)于由在動(dòng)徑方向r上應(yīng)該設(shè)定的p個(gè)半徑ri rp的圓周表示的相 位不連續(xù)線(xiàn)，如以下所述方式進(jìn)行設(shè)定。相位不連續(xù)線(xiàn)存在于光強(qiáng)度 為O的部分("節(jié)")。在LG模式的情況下，光強(qiáng)度分布的節(jié)能夠從 Sonine多項(xiàng)式的零點(diǎn)求得。g口，求得由下述式(2)定義的Sonine多項(xiàng) 式Spq (z)成為值0的變量z的值。Sonine多項(xiàng)式Spq (z)為p次多項(xiàng) 式，具有p個(gè)不同的正的實(shí)數(shù)根a, ap。如果使用這些根ai和指定光束 半徑的參數(shù)w，則相位不連續(xù)線(xiàn)的半徑ri表示為下述式(3) (i=l， 2， 3，…，p)。
利用光相位調(diào)制元件15接受這樣的相位調(diào)制^(r")并被反射的 光，是動(dòng)徑指數(shù)為p且偏角指數(shù)為q的LG模式光。從上述式(1)可 以判斷出對(duì)于偏角指數(shù)q的LG模式光而言，如果其偏角指數(shù)q為正 值，則在偏角變量0從值O到值2;r的進(jìn)行變化的區(qū)間內(nèi)，重復(fù)q次相 位值從值0到值2兀的變化。對(duì)于偏角指數(shù)q的LG模式光而言，如果 其偏角指數(shù)q為負(fù)值，則在偏角變量0從值0到值2兀的進(jìn)行變化的區(qū) 間內(nèi)，重復(fù)q次相位值從值2兀到值0的變化。而且，對(duì)于動(dòng)徑指數(shù)p 的LG模式光而言，在偏角變量e固定時(shí)，屬于以相位不連續(xù)線(xiàn)為邊界 線(xiàn)而連接的2個(gè)區(qū)域中的點(diǎn)的相位值具有差兀。
圖2 圖4分別為表示光相位調(diào)制元件15中的相位調(diào)制量的分布的例子的圖。圖2以濃淡表示，當(dāng)動(dòng)徑指數(shù)p和偏角指數(shù)q分別取l 3各值時(shí)，光相位調(diào)制元件15中的相位調(diào)制量的分布。圖3為以三維 表示光相位調(diào)制元件15中的相位調(diào)制量的分布的圖，其中，將光相位 調(diào)制元件15中的相位調(diào)整量作為z軸。圖3 (a)表示在動(dòng)徑指數(shù)p為 0且偏角指數(shù)q為1的情況下的光相位調(diào)制元件15中的相位調(diào)整量的 分布。圖3 (b)表示在動(dòng)徑指數(shù)p為1且偏角指數(shù)q為1的情況下的 光相位調(diào)制元件15中的相位調(diào)整量的分布。圖4 (a)以濃淡表示在動(dòng) 徑指數(shù)p為2且偏角指數(shù)q為4的情況下的光相位調(diào)制元件15中的相 位調(diào)整量的分布。而且，圖4 (b)以濃淡表示在動(dòng)徑指數(shù)p為5且偏 角指數(shù)q為1的情況下的光相位調(diào)制元件15中的相位調(diào)整量的分布。 偏角方向的相位調(diào)制和動(dòng)徑方向的相位調(diào)制可以利用1個(gè)光相位 調(diào)制元件賦予，也可以利用2個(gè)光相位調(diào)制元件一個(gè)一個(gè)地賦予。圖5 為表示在后屬情況下2個(gè)光相位調(diào)制元件中各自的相位調(diào)制量的分布 的例子的圖。圖5 (a)以濃淡表示在動(dòng)徑指數(shù)p為2且偏角指數(shù)q為 3的情況下的相位調(diào)整量的分布。圖5 (b)以濃淡表示在動(dòng)徑指數(shù)p 為2的情況下的第1光相位調(diào)制元件中的相位調(diào)整量的分布。圖5 (c) 以濃淡表示在動(dòng)徑指數(shù)p為0且偏角指數(shù)q為3的情況下的第2光相 位調(diào)制元件中的相位調(diào)整量的分布。而且，由于圖5 (b)中所示的相 位調(diào)制量分布是用上述式(2)和上述式(3)賦予的，因此，也依存 于偏角指數(shù)q。圖5 (a)的相位調(diào)整量分布是以圖5 (b)和圖5 (c) 各自的相位調(diào)整量分布的和的形式表示的。分別向動(dòng)徑方向和偏角方 向賦予的相位分布的順序，可以是任意的順序。
圖6和圖7分別表示從本實(shí)施方式所涉及的光束發(fā)生裝置1輸出 的LG模式光的光束截面上的強(qiáng)度分布的例子的圖。圖6表示實(shí)測(cè)值， 圖7表示理論值。動(dòng)徑指數(shù)p和偏角指數(shù)q分別取1 3的各值。它們 對(duì)應(yīng)于圖2所示的光相位調(diào)制元件15中的相位調(diào)制量分布。在這些圖 中，可知在任何模式下，實(shí)測(cè)值(圖6)和理論值(圖7)相互良好 地一致，且得到的光為L(zhǎng)G模式光。
圖8為表示從本實(shí)施方式所涉及的光束發(fā)生裝置1輸出的LG模式 光的光束截面上的強(qiáng)度分布的例子的圖。同圖(a)表示實(shí)測(cè)值，同圖 (b)表示理論值。動(dòng)徑指數(shù)p為5，偏角指數(shù)q為1。它們對(duì)應(yīng)于圖4
8(b)中所示的光相位調(diào)制元件15中的相位調(diào)制量分布。從這些圖判
斷出，能夠高精度且高品質(zhì)地生成這樣的高次LG模式光。
如上所述，本實(shí)施方式所涉及的光束發(fā)生裝置1能夠高精度且高
品質(zhì)地生成動(dòng)徑指數(shù)和偏角指數(shù)都高的高次LG模式光，并能夠期待使
用這樣的高次LG模式光的進(jìn)一步的應(yīng)用。
而且，雖然在上述實(shí)施方式中光相位調(diào)制元件15為反射型元件，
但是，本發(fā)明中可以使用透過(guò)型光相位調(diào)制元件。 產(chǎn)業(yè)上利用的可能性
本發(fā)明提供能夠發(fā)生可期待進(jìn)一步的應(yīng)用的LG模式光的光束發(fā) 生裝置。
權(quán)利要求
1.一種光束發(fā)生裝置，其特征在于，具備輸出相干光的光源；光相位調(diào)制元件，輸入從所述光源輸出的光，根據(jù)該光的光束截面上的位置對(duì)該光進(jìn)行相位調(diào)制，并輸出該相位調(diào)制后的光，在輸入到所述光相位調(diào)制元件上的光的光束截面上，在設(shè)定以規(guī)定位置為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系(r，θ)，并且設(shè)定被以所述規(guī)定位置為中心的p個(gè)圓周劃分的(p+1)個(gè)區(qū)域時(shí)，在這些(p+1)個(gè)區(qū)域中，從內(nèi)側(cè)開(kāi)始計(jì)算的第偶數(shù)個(gè)區(qū)域內(nèi)的各位置上的相位調(diào)制量φ用式“φ＝qθ”表示，并且從內(nèi)側(cè)開(kāi)始計(jì)算的第奇數(shù)個(gè)區(qū)域內(nèi)的各位置上的相位調(diào)制量φ用式“φ＝qθ+π”表示，在此，p為自然數(shù)，q為0以外的整數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束發(fā)生裝置，其特征在于， 所述光相位調(diào)制元件為根據(jù)從外部輸入的控制信號(hào)設(shè)定各像素的相位調(diào)制量的元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光束發(fā)生裝置(1)，其具備激光光源(10)和光相位調(diào)制元件(15)等。光相位調(diào)制元件(15)，輸入從激光光源(10)輸出并經(jīng)過(guò)分光器(14)的相干光，根據(jù)該光的光束截面上的位置對(duì)該光進(jìn)行相位調(diào)制，并向分光器(14)輸出該相位調(diào)制后的光。在輸入到光相位調(diào)制元件(15)的光的光束截面上，在設(shè)定以規(guī)定位置為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系(r，θ)，并且設(shè)定由以所述規(guī)定位置為中心的p個(gè)圓周劃分的(p+1)個(gè)區(qū)域時(shí)，在這些(p+1)個(gè)區(qū)域中，從內(nèi)側(cè)開(kāi)始計(jì)算的第偶數(shù)個(gè)區(qū)域內(nèi)的各位置上的相位調(diào)制量φ用式“φ＝qθ”表示，從內(nèi)側(cè)開(kāi)始計(jì)算的第奇數(shù)個(gè)區(qū)域內(nèi)的各位置上的相位調(diào)制量φ用式“φ＝qθ+π”表示。
文檔編號(hào)G02B27/00GK101542355SQ20078004412
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者伊藤晴康, 大竹良幸, 安藤太郎, 松本直也, 福智昇央 申請(qǐng)人:浜松光子學(xué)株式會(huì)社