專利名稱：一種產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置，是一種同軸疊加拓?fù)浜上喾辞翌l率不同的兩渦旋光產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置。
背景技術(shù)：
數(shù)十年來(lái)，螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束由于其獨(dú)特的光學(xué)特性和潛在的應(yīng)用價(jià)值而引起廣泛關(guān)注。目前這種類(lèi)型的光束已應(yīng)用于波色-愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)、光鑷技術(shù)、光通訊、 光學(xué)微操控等方面。為此對(duì)螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束開(kāi)展了深入的理論研究，如光斑圖樣分布、 能量的橫向傳輸及角動(dòng)量等特性，同時(shí)也提出了產(chǎn)生螺旋槳式的旋轉(zhuǎn)光束的多種方法， C. Anastassiou等提出利用旋轉(zhuǎn)的反射鏡實(shí)現(xiàn)光斑旋轉(zhuǎn)的方法，C. Rotschild等提出通過(guò)旋轉(zhuǎn)孔徑光闌的方法實(shí)現(xiàn)螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束，p. PaakkSnen等讓光束通過(guò)二元相位衍射元件來(lái)產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束，最近Peng Zhang張鵬等還報(bào)道了利用莫爾技術(shù)產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的方法。但是，上述方法中大部分對(duì)器件有很高的要求，產(chǎn)生的光束形狀較為單一，并且要通過(guò)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)控制光束的旋轉(zhuǎn)速度。近幾年對(duì)光學(xué)渦旋的同軸疊加研究逐漸增多，其中A. Ya. Bekshaev等在2005年研究了兩拉蓋爾-高斯渦旋光束模式分別為L(zhǎng)Gtl, +1 LG0, J同軸疊加后的傳輸特性，并預(yù)言若兩拉蓋爾-高斯渦旋光束頻率不同，干涉圖樣將在同一平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。這便為產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束提供了一種新的方法。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置。本發(fā)明的思想在于通過(guò)空間光調(diào)制器對(duì)高斯激光光束調(diào)制引入拓?fù)浜梢蜃樱缓笸ㄟ^(guò)空間濾波得到具有指定拓?fù)浜傻臏u旋拉蓋爾-高斯光束LG光束。通過(guò)頻移器件產(chǎn)生頻率差。任何已有的頻移器件都可以用在此方案中，如聲光調(diào)制，電光調(diào)制，旋轉(zhuǎn)光柵， 或者能連續(xù)改變相位光程的方法。最后，通過(guò)本技術(shù)方案中設(shè)計(jì)的光路可以方便地實(shí)現(xiàn)光束同軸疊加。技術(shù)方案一種產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置，其特征在于包括激光器1、光束擴(kuò)大器2、空間光調(diào)制器3、傅里葉變換透鏡4、雙孔濾波器5、傅里葉逆變換透鏡6、第一反射鏡8、第三反射鏡9、頻移器10、分束鏡11和第二反射鏡12 ；激光器1出射的光經(jīng)光束擴(kuò)大器2擴(kuò)束準(zhǔn)直，通過(guò)空間光調(diào)制器3調(diào)制，調(diào)制后的光束經(jīng)傅里葉變換透鏡4變換到頻域，在頻譜面上經(jīng)雙孔濾波器5濾波后保留士 1級(jí)頻譜成分，再經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換透鏡6后得到空間上分開(kāi)且拓?fù)浜上喾词縨的兩渦旋光束，其中一束經(jīng)第三反射鏡9進(jìn)入頻移器10，頻移器對(duì)該光束產(chǎn)生變頻；另一光束依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡8和第二反射鏡12，與變頻后的光束一起經(jīng)分束鏡11同軸疊加得到螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束；所述m為拓?fù)浜蓴?shù)；所述空間光調(diào)制器3的調(diào)制光是拓?fù)浜蔀閙的渦旋全息圖；所述的空間光調(diào)制器3為透射式空間光調(diào)制器。其特征在于包括激光器1、光束擴(kuò)大器2、空間光調(diào)制器3、傅里葉變換透鏡4、雙孔濾波器5、傅里葉逆變換透鏡6、第一反射鏡8、第三反射鏡9、頻移器10、分束鏡11、第二反射鏡12和半透半反鏡14 ；激光器1出射的光經(jīng)光束擴(kuò)大器2擴(kuò)束準(zhǔn)直后的光束，先經(jīng)過(guò)半透半反鏡14后部分反射到反射式空間光調(diào)制器3調(diào)制，被調(diào)制后的光束原路返回并部分透射過(guò)半透半反鏡14，透射光經(jīng)傅里葉變換透鏡4變換到頻域，在頻譜面上經(jīng)雙孔濾波器5濾波后保留士 1級(jí)頻譜成分，再經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換透鏡6后得到空間上分開(kāi)且拓?fù)浜上喾词縨 的兩渦旋光束，其中一束經(jīng)第三反射鏡9進(jìn)入頻移器10，頻移器對(duì)該光束產(chǎn)生變頻；另一光束依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡8和第二反射鏡12，與變頻后的光束一起經(jīng)分束鏡11同軸疊加得到螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束；所述m為拓?fù)浜蓴?shù)；所述空間光調(diào)制器3的調(diào)制光是拓?fù)浜蔀閙的渦旋全息圖，所述空間光調(diào)制器3為反射式空間光調(diào)制器。采用圖像采集器件將經(jīng)分束鏡11同軸疊加得到螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束進(jìn)行采集，并觀察到旋轉(zhuǎn)的圖樣。在空間光調(diào)制器3上采用圖形控制器控制調(diào)制光的拓?fù)浜蒻的渦旋全息圖。在頻移器10上采用頻差控制器控制頻移器的頻移量。所述頻移器為任何現(xiàn)有的聲光頻移器件或旋轉(zhuǎn)玻片頻移器件。激光器1出射的光經(jīng)光束擴(kuò)大器2擴(kuò)束準(zhǔn)直，再由輸入渦旋全息圖(拓?fù)浜蔀閙) 的空間光調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制后的光束經(jīng)傅里葉變換透鏡4變換到頻域，在頻譜面上經(jīng)雙孔濾波器5濾波后僅保留士 1級(jí)頻譜成分，經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換透鏡6后，變成空間上分開(kāi)且拓?fù)浜上喾词縨的兩渦旋光束，其中一束7-1經(jīng)第三反射鏡9進(jìn)入頻移器10，頻移器對(duì)光束 7-1產(chǎn)生一個(gè)頻移，另一光束7-2依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡8、第二反射鏡12，與變頻后的光束 7-1 一起經(jīng)合束鏡11同軸疊加，疊加后的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度圖樣由圖像采集器件13探測(cè)得到。有益效果本發(fā)明提出的產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置，能方便地控制旋轉(zhuǎn)光束的轉(zhuǎn)速和光斑圖樣；用其產(chǎn)生的光束可以作為“光學(xué)扳手”，憑借其特有的軌道角動(dòng)量特征來(lái)操縱和旋轉(zhuǎn)微粒。


圖1 本發(fā)明提出的產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置的第一種形式應(yīng)用透射式空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖；圖2 本發(fā)明提出的產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置的第二種形式應(yīng)用反透射式空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖；1-激光光源，2-光束擴(kuò)大器，3-空間光調(diào)制器，4-傅里葉變換透鏡，5-雙孔濾波器，6-傅里葉逆變換透鏡，7-1-第一渦旋光束，7-2-第二渦旋光束，8-第一反射鏡，9-第三反射鏡，10-頻移器，11-分束鏡，12-第二反射鏡，13-圖像采集器件；14-半透半反鏡；圖3 是利用圖1或圖2結(jié)構(gòu)形式得到結(jié)果；其中，圖abc分別對(duì)應(yīng)拓?fù)浜蔀槭?1、 士2、士3的兩渦旋光束同軸疊加產(chǎn)生光斑的旋轉(zhuǎn)過(guò)程圖樣；其中的^b1C1為對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例1 請(qǐng)參閱圖1。激光器1出射的光經(jīng)光束擴(kuò)大器2擴(kuò)束準(zhǔn)直，并通過(guò)透射式空間光調(diào)制器調(diào)制3， 調(diào)制后的光束經(jīng)傅里葉變換透鏡4變換到頻域，在頻譜面上經(jīng)雙孔濾波器5濾波后再經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換透鏡6，變成空間上分開(kāi)且拓?fù)浜上喾词縨的兩渦旋光束，其中一束7-1經(jīng)第三反射鏡9進(jìn)入頻移器10，頻移器對(duì)光束7-1產(chǎn)生一個(gè)頻移，另一光束7-2依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡8、第二反射鏡12，與變頻后的光束7-1 —起經(jīng)分束鏡11同軸疊加，疊加后的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度圖樣由圖像采集器件13探測(cè)得到。探測(cè)所得的疊加效果圖如圖3所示。本方案中，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制空間光調(diào)制器的圖像即可控制旋轉(zhuǎn)光斑的“葉片”個(gè)數(shù)，控制頻移器產(chǎn)生的頻移大小即可控制光斑的轉(zhuǎn)速。實(shí)施例2 請(qǐng)參閱圖2。激光器1出射的光經(jīng)光束擴(kuò)大器2擴(kuò)束準(zhǔn)直，然后被半透半反鏡14部分反射到反射式空間光調(diào)制器調(diào)制3表面，被調(diào)制后的光束原路返回并部分透射過(guò)半透半反鏡14，透射光經(jīng)傅里葉變換透鏡4變換到頻域，在頻譜面上經(jīng)雙孔濾波器5濾波后再經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換透鏡6，變成空間上分開(kāi)且拓?fù)浜上喾词縨的兩渦旋光束，其中一束7-1經(jīng)第三反射鏡 8進(jìn)入頻移器10，頻移器對(duì)光束7-1產(chǎn)生一個(gè)頻移，另一光束7-2依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡8、第二反射鏡12，與變頻后的光束7-1 —起經(jīng)分束鏡11同軸疊加，疊加后的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度圖樣由圖像采集器件13探測(cè)得到。探測(cè)所得的疊加效果圖如圖3所示。本方案中，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制空間光調(diào)制器的圖像即可控制旋轉(zhuǎn)光斑的“葉片”個(gè)數(shù)，控制頻移器產(chǎn)生的頻移大小即可控制光斑的轉(zhuǎn)速。通過(guò)本本發(fā)明產(chǎn)生與控制螺旋槳式的旋轉(zhuǎn)光束的過(guò)程為將拓?fù)浜蔀閙的計(jì)算渦旋全息圖經(jīng)圖形控制器分別輸入空間光調(diào)制器3中，并且使雙孔濾波器5僅保留士 1級(jí)頻譜成分。這樣在傅里葉逆變換透鏡6后得到分開(kāi)的兩束具有相反拓?fù)浜墒縨的同頻LG渦旋光。簡(jiǎn)化的拉蓋爾-高斯光束LG的表達(dá)式可寫(xiě)為
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置，其特征在于包括激光器(1)、光束擴(kuò)大器O)、 空間光調(diào)制器( 、傅里葉變換透鏡(4)、雙孔濾波器( 、傅里葉逆變換透鏡(6)、第一反射鏡⑶、第三反射鏡(9)、頻移器(10)、分束鏡(11)和第二反射鏡(12)；激光器⑴出射的光經(jīng)光束擴(kuò)大器( 擴(kuò)束準(zhǔn)直，通過(guò)空間光調(diào)制器C3)調(diào)制，調(diào)制后的光束經(jīng)傅里葉變換透鏡(4)變換到頻域，在頻譜面上經(jīng)雙孔濾波器( 濾波后保留士 1級(jí)頻譜成分，再經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換透鏡(6)后得到空間上分開(kāi)且拓?fù)浜上喾词縨的兩渦旋光束，其中一束經(jīng)第三反射鏡(9)進(jìn)入頻移器(10)，頻移器對(duì)該光束產(chǎn)生變頻；另一光束依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡(8) 和第二反射鏡(12)，與變頻后的光束一起經(jīng)分束鏡(11)同軸疊加得到螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束； 所述m為拓?fù)浜蓴?shù)；所述空間光調(diào)制器(3)的調(diào)制光是拓?fù)浜蔀閙的渦旋全息圖；所述的空間光調(diào)制器(3)為透射式空間光調(diào)制器。
2.—種產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置，其特征在于包括激光器(1)、光束擴(kuò)大器O)、 空間光調(diào)制器(3)、傅里葉變換透鏡G)、雙孔濾波器(5)、傅里葉逆變換透鏡(6、)第一反射鏡(8)、第三反射鏡(9)、頻移器(10)、分束鏡(11)、第二反射鏡(12)和半透半反鏡(14)； 激光器(1)出射的光經(jīng)光束擴(kuò)大器( 擴(kuò)束準(zhǔn)直后的光束，先經(jīng)過(guò)半透半反鏡(14)后部分反射到反射式空間光調(diào)制器(3)調(diào)制，被調(diào)制后的光束原路返回并部分透射過(guò)半透半反鏡 (14)，透射光經(jīng)傅里葉變換透鏡(4)變換到頻域，在頻譜面上經(jīng)雙孔濾波器( 濾波后保留士 1級(jí)頻譜成分，再經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換透鏡(6)后得到空間上分開(kāi)且拓?fù)浜上喾词縨的兩渦旋光束，其中一束經(jīng)第三反射鏡(9)進(jìn)入頻移器(10)，頻移器對(duì)該光束產(chǎn)生變頻；另一光束依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡(8)和第二反射鏡(12)，與變頻后的光束一起經(jīng)分束鏡(11)同軸疊加得到螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束；所述m為拓?fù)浜蓴?shù)；所述空間光調(diào)制器C3)的調(diào)制光是拓?fù)浜蔀閙 的渦旋全息圖；所述空間光調(diào)制器⑶為反射式空間光調(diào)制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置，其特征在于采用圖像采集器件將經(jīng)分束鏡(11)同軸疊加得到螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束進(jìn)行采集，并觀察到旋轉(zhuǎn)的圖樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置，其特征在于在空間光調(diào)制器C3)上采用圖形控制器控制調(diào)制光的拓?fù)浜蒻的渦旋全息圖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置，其特征在于在頻移器 (10)上采用頻差控制器控制頻移器的頻移量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置，其特征在于所述頻移器(10)為任何現(xiàn)有的聲光頻移器件或旋轉(zhuǎn)玻片頻移器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束的裝置，技術(shù)特征在于激光器出射的光經(jīng)光束擴(kuò)大器擴(kuò)束準(zhǔn)直，通過(guò)空間光調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制后的光束經(jīng)傅里葉變換透鏡變換到頻域，在頻譜面上經(jīng)雙孔濾波器濾波后保留±1級(jí)頻譜成分，再經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換透鏡后得到空間上分開(kāi)且拓?fù)浜上喾础續(xù)的兩渦旋光束，其中一束經(jīng)第三反射鏡進(jìn)入頻移器，頻移器對(duì)該光束產(chǎn)生變頻；另一光束依次經(jīng)過(guò)第一反射鏡和第二反射鏡，與變頻后的光束一起經(jīng)分束鏡同軸疊加得到螺旋槳式旋轉(zhuǎn)光束。本裝置能方便地控制旋轉(zhuǎn)光束的轉(zhuǎn)速和光斑圖樣；用其產(chǎn)生的光束可以作為“光學(xué)扳手”，憑借其特有的軌道角動(dòng)量特征來(lái)操縱和旋轉(zhuǎn)微粒。
文檔編號(hào)G02B27/10GK102169320SQ201110030199
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月27日
發(fā)明者孔令臣, 楊德興, 趙騰, 趙錦虎 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)