本實用新型屬于光束調(diào)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光學(xué)旋渦是一類具有螺線形相位分布的光束，其表達(dá)式中帶有相位因子，光束中的每個光子攜帶的軌道角動量，其中l(wèi)稱為拓?fù)浜蓴?shù)，為約化普朗克常數(shù)。在傳輸過程中，光束中心因相位不確定或發(fā)生突變而產(chǎn)生奇點，在奇點處的光強為零、無加熱效應(yīng)、無衍射效應(yīng)。由于光學(xué)旋渦和光學(xué)渦旋的特征及其復(fù)雜性和多樣性，還有它們所具有的應(yīng)用潛力，受到了人們極大地關(guān)注?；诠鈱W(xué)旋渦的研究課題具備基礎(chǔ)性和前瞻性，該研究課題對光的本性認(rèn)識具有深刻的影響，所以對光學(xué)旋渦及其特性的研究具有十分重要的科學(xué)意義，值得人們對其進(jìn)行更為廣泛和深入的研究。

光學(xué)旋渦因其在光學(xué)角動量和動力學(xué)行為方面的特殊性，得到了廣泛而實際的應(yīng)用。光學(xué)旋渦不僅可用于增大激光腔的模體積，光的光導(dǎo)，頻率移動，角動量的改變，還可以作為在自聚焦介質(zhì)中的暗孤子。光學(xué)旋渦所擁有的軌道角動量更可用于自由空間光通信的信息解碼。此外，光學(xué)旋渦最為突出的還是其在光學(xué)微操控領(lǐng)域中的應(yīng)用，如對微粒和原子的光陷，捕獲和引導(dǎo)粒子，旋轉(zhuǎn)吸收的粒子等。

目前用于產(chǎn)生光學(xué)旋渦的方法有很多種，螺旋位相片是產(chǎn)生螺旋波前最顯而易見的方法，平面波通過位相片能生成具有軌道角動量為lh的光學(xué)旋渦。雖然螺旋位相片的概念簡單，但它要求在光學(xué)波段內(nèi)加工納米量級的超精確螺旋面，因此，其他一些產(chǎn)生螺旋波前的方式也被相繼提出，如利用柱面鏡的模式轉(zhuǎn)換器和計算全息圖等。由于折射型光學(xué)器件越來越復(fù)雜，衍射光學(xué)元件成為產(chǎn)生光學(xué)旋渦的另一種選擇。叉形光柵能在一級衍射方向上產(chǎn)生光學(xué)旋渦，這種衍射光學(xué)元件實際上是所需光學(xué)元件的全息圖，或稱為計算全息圖。產(chǎn)生螺旋光束的全息圖為叉形光柵或螺旋菲涅爾鏡，這種技術(shù)在商用SLM(Spatial Light Modulator，空間光調(diào)制器)上被廣泛實現(xiàn)。與傳統(tǒng)全息圖加工技術(shù)相比，SLM能通過動態(tài)調(diào)制簡單快捷地產(chǎn)生全息圖。除此之外，還有一些其他的方法，如非均勻各項異性元件、亞波長介電光柵及金屬納米天線等。

然而，上述光學(xué)旋渦的產(chǎn)生方式面臨幾個共同問題：一是轉(zhuǎn)換效率低，產(chǎn)生光學(xué)旋渦的能量利用率不超過50％；二是基于器件調(diào)節(jié)的方法靈活性不夠高，通常難以實現(xiàn)不同拓?fù)浜晒鈱W(xué)旋渦之間的轉(zhuǎn)換；三是由于脈沖激光的一個重要特性是脈沖的高時間分辨，用以上方式調(diào)制飛秒激光的過程中，由于產(chǎn)生過程中要反復(fù)經(jīng)過多重光學(xué)器件，因而造成光束頻譜展寬等色散問題，從而嚴(yán)重影響飛秒激光脈沖的峰值及時間分辨特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有光學(xué)旋渦的產(chǎn)生方式中轉(zhuǎn)換效率低、造成光束頻譜展寬的色散的問題。

本實用新型是這樣實現(xiàn)的，一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)，包括：

激發(fā)光源單元，用于產(chǎn)生激光光束；

偏振調(diào)制單元，用于將所述激光光束調(diào)制成圓偏振激光束；

光學(xué)調(diào)制單元，包括若干調(diào)制組，每一所述調(diào)制組包括渦旋波片和半波片，用于將所述圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦。

進(jìn)一步地，所述偏振調(diào)制單元包括第一偏振片和四分之一波片，所述四分之一波片的長軸方向和所述第一偏振片的偏振方向的夾角為π/4。

進(jìn)一步地，所述產(chǎn)生系統(tǒng)還包括分光單元、光路補償單元、反射單元、偏振單元和合束單元；

所述分光單元，用于將所述激發(fā)光源單元產(chǎn)生的激光光束分成調(diào)制光束和檢測光束；

所述反射單元，用于調(diào)整所述調(diào)制光束的路徑，以使所述調(diào)制光束按照預(yù)置路徑入射至所述偏振調(diào)制單元；

所述偏振調(diào)制單元，用于將所述調(diào)制光束調(diào)制成圓偏振激光束；

所述光學(xué)調(diào)制單元，用于將所述圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦入射至所述偏振單元；

所述偏振單元，用于將所述光學(xué)旋渦進(jìn)行偏振調(diào)制后入射至所述合束單元；

所述光路補償單元，用于對所述檢測光束進(jìn)行光程補償，以使進(jìn)行光程補償后的所述檢測光束與所述光學(xué)旋渦同步入射至所述合束單元；

所述合束單元，用于將進(jìn)行光程補償后的所述檢測光束和所述光學(xué)旋渦進(jìn)行合束，得到合束光束。

進(jìn)一步地，所述光路補償單元包括第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡和第二偏振片；

所述檢測光束依次經(jīng)所述第一反射鏡、所述第二反射鏡、所述第三反射鏡和所述第四反射鏡進(jìn)行光路調(diào)整后，入射至所述第二偏振片；

經(jīng)過光路調(diào)整的所述檢測光束經(jīng)所述第二偏振片進(jìn)行偏振調(diào)制后，入射至所述合束單元。

進(jìn)一步地，所述渦旋波片的快軸方向沿渦旋波片圓周連續(xù)旋轉(zhuǎn)，所述快軸方向繞圓周的變化角度為π。

進(jìn)一步地，所述渦旋波片的光軸與所述圓偏振激光束的光軸重合。

進(jìn)一步地，所述渦旋波片為液晶半波片。

進(jìn)一步地，當(dāng)需要產(chǎn)生位相沿順時針變化的光學(xué)旋渦時，保留所述光學(xué)調(diào)制單元中最后一組調(diào)制組的半波片。

進(jìn)一步地，當(dāng)需要產(chǎn)生位相沿逆時針變化的飛秒柱矢量光束時，去除所述光學(xué)調(diào)制單元中最后一組調(diào)制組的半波片。

進(jìn)一步地，所述分光單元為偏振不敏感器件。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本實用新型實施例通過將激發(fā)光源單元產(chǎn)生的激光光束調(diào)制成圓偏振激光束，并通過光學(xué)調(diào)制單元將圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦。本實用新型實施例可將激光光束調(diào)制成圓偏振激光束，并將圓偏振激光束靈活地調(diào)制成任意拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦，轉(zhuǎn)換效率高，同時解決了現(xiàn)有產(chǎn)生方式在脈沖光學(xué)渦旋產(chǎn)生過程中帶來的頻譜展寬等色散的問題。

附圖說明

圖1是本實用新型第一實施例提供的一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型第一實施例提供的一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實用新型第二實施例提供的一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實用新型第二實施例提供的一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5a是渦旋波片的快軸方向的示意圖；

圖5b是半波片的快軸方向的示意圖；

圖6a是拓?fù)浜蔀?的光學(xué)旋渦的相位分布示意圖；

圖6b是拓?fù)浜蔀?的光學(xué)旋渦的相位分布示意圖；

圖7a是拓?fù)浜蔀?的線偏光學(xué)旋渦與線偏光干涉產(chǎn)生的叉形光柵條紋；

圖7b是拓?fù)浜蔀?的線偏光學(xué)旋渦與線偏光干涉產(chǎn)生的叉形光柵條紋。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

本實用新型實施例所涉及的原理如下：

圓偏振激光束的瓊斯矩陣可表示為：

and

順時針變化的渦旋波片的瓊斯矩陣M₁表示為：

以右旋圓偏振激光束為例，經(jīng)過包括渦旋波片和半波片的調(diào)制組后產(chǎn)生的光束的瓊斯矩陣可表示為：

即，產(chǎn)生位相面沿逆時針方向變化的拓?fù)浜蔀?1光學(xué)旋渦。在上述調(diào)制組后插入半波片后的瓊斯矩陣可調(diào)制為：

此時，入射右旋圓偏振激光束被調(diào)制為：

即，產(chǎn)生位相面沿順時針方向變化的拓?fù)浜蔀?光學(xué)旋渦。

同樣地，要產(chǎn)生逆時針變化的拓?fù)浜蔀閘的光學(xué)旋渦(此處定義位相沿順時針變化的拓?fù)浜蔀檎?，沿逆時針變化為負(fù))，需要調(diào)制組的瓊斯矩陣M表示為：

其中，l表示產(chǎn)生光學(xué)旋渦的拓?fù)浜?。為獲得位相面沿順時針方向變化的拓?fù)浜蔀閘光學(xué)旋渦，需要調(diào)制組的瓊斯矩陣M_l’表示為：

其中H₀表示快軸沿水平方向的半波片，瓊斯矩陣表示為：

為產(chǎn)生更高拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)渦旋，調(diào)制組的瓊斯矩陣之間存在如下關(guān)系：

M_l＝M_l-1H₀M₁ (9)

由以上公式可以發(fā)現(xiàn)：對于需要產(chǎn)生任意高拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦，可以通過底拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦結(jié)合調(diào)制組調(diào)制產(chǎn)生；另一方面，對于負(fù)數(shù)拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦可通過一個半波片調(diào)制對應(yīng)正數(shù)拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦產(chǎn)生。

基于上述原理，本實用新型實施例通過以渦旋波片和半波片組合的調(diào)制組來產(chǎn)生任意拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦。如圖1所示，一種光學(xué)渦旋的產(chǎn)生系統(tǒng)包括：

激發(fā)光源單元101，用于產(chǎn)生激光光束；

偏振調(diào)制單元102，用于將所述激光光束調(diào)制成圓偏振激光束；

光學(xué)調(diào)制單元103，用于將所述圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦。

具體地，如圖2所示，偏振調(diào)制單元102包括第一偏振片1021和四分之一波片1022，四分之一波片1022的長軸方向和第一偏振片1021的偏振方向的夾角為π/4。激發(fā)光源單元101產(chǎn)生的激光光束通常情況下是類似于橢圓偏振的，因此需要偏振調(diào)制單元102將其調(diào)制成圓偏光。

光學(xué)調(diào)制單元103包括若干調(diào)制組1031，每一調(diào)制組1031包括渦旋波片和半波片；

調(diào)制組1031用于將入射的所述圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦。

本實用新型實施例中，先通過偏振調(diào)制單元102將激發(fā)光源單元101產(chǎn)生的激光光束調(diào)制為圓偏振激光束，然后該圓偏振激光束通過渦旋波片和半波片組成的調(diào)制組后，被調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)渦旋。在本實施例中，渦旋波片采用的是快軸方向沿波圓周連續(xù)旋轉(zhuǎn)的液晶半波片，該液晶半波片的激光透過率高達(dá)99％，通過調(diào)制組1031可將入射的圓偏振激光束高效率、高純度地調(diào)制為光學(xué)旋渦。

本實施例提供的光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)可用于產(chǎn)生任意拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦，還適用于脈沖激光領(lǐng)域。

如圖3所示，本實用新型提供的另外一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)，包括：

激發(fā)光源單元201，用于產(chǎn)生激光光束；

分光單元202，用于將激發(fā)光源單元201產(chǎn)生的激光光束分成調(diào)制光束和檢測光束；

反射單元203，用于調(diào)整所述調(diào)制光束的路徑，以使所述調(diào)制光束按照預(yù)置路徑入射至偏振調(diào)制單元204；

偏振調(diào)制單元204，用于將所述調(diào)制光束調(diào)制成圓偏振激光束。具體地，如圖4所示，偏振調(diào)制單元204包括第一偏振片2041和四分之一波片2042，四分之一波片2041的長軸方向和第一偏振片2041的偏振方向的夾角為π/4。

光學(xué)調(diào)制單元205，用于將所述圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦入射至偏振單元206。具體地，光學(xué)調(diào)制單元205包括若干調(diào)制組2051，每一調(diào)制組2051包括渦旋波片和半波片，在實際應(yīng)用中，所有的調(diào)制組中的渦旋波片快軸的起始方向均一致。

偏振單元206，用于將所述光學(xué)旋渦進(jìn)行偏振后入射至合束單元207；

光路補償單元208，用于對所述檢測光束進(jìn)行光程補償，以使進(jìn)行光程補償后的所述檢測光束與所述光學(xué)旋渦同步入射至合束單元207。如圖4所示，光路補償單元208包括第一反光鏡2081、第二反光鏡2082、第三反光鏡2083、第四反光鏡2084和第二偏振片2085，檢測光束依次經(jīng)第一反射鏡2081、第二反射鏡2082、第三反射鏡2083和第四反射鏡2084進(jìn)行光路調(diào)整后，入射至第二偏振片2085，經(jīng)過光路調(diào)整的檢測光束經(jīng)第二偏振片2085進(jìn)行偏振調(diào)整后，入射至合束單元207.

合束單元207，用于將進(jìn)行光程補償后的所述檢測光束和所述光學(xué)旋渦進(jìn)行合束，得到合束光束。在本實施例中，為了檢測光學(xué)旋渦的拓?fù)浜桑鲜鴨卧?07將進(jìn)行光程補償后的檢測光束和光學(xué)旋渦進(jìn)行合束，然后射入外部的檢測系統(tǒng)。因為光學(xué)旋渦和檢測光束合束產(chǎn)生干涉后會產(chǎn)生叉形光柵，所產(chǎn)生的叉形光柵的叉數(shù)代表了光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蓴?shù)。合束單元207合束后得到的合束光束入射至外部檢測系統(tǒng)，外部檢測系統(tǒng)再將得到的叉形光柵的叉數(shù)與預(yù)期設(shè)計的拓?fù)浜蛇M(jìn)行比較，若兩者數(shù)值相同，則證明該光學(xué)旋渦為預(yù)期得到的光學(xué)旋渦，若不一致，則可以判斷該光學(xué)旋渦非預(yù)期得到的光學(xué)旋渦。

激光光源單元201用于產(chǎn)生激光光束，偏振調(diào)制單元204用于將入射的調(diào)制光束調(diào)制為圓偏振激光束。激發(fā)光源單元201采用激光器，該激光器可以是連續(xù)激光器，也可以是脈沖激光器，偏振調(diào)制單元204包括第一偏振片2041和四分之一波片2042。

在具體實現(xiàn)過程中，圓偏振激光束經(jīng)過光學(xué)調(diào)整單元205的第一組調(diào)制組后被調(diào)制成拓?fù)浜蔀?的光學(xué)旋渦，該拓?fù)浜蔀?的光學(xué)旋渦依此經(jīng)過(m-1)組調(diào)制組后，被調(diào)制成拓?fù)浜蔀閙的光學(xué)旋渦；在該拓?fù)浜蔀閙的光學(xué)旋渦產(chǎn)生的光路中去除最后一個半波片，即可調(diào)制為拓?fù)浜蔀?m的光學(xué)旋渦。

以右旋圓偏振激光束為例，右旋圓偏振激光束進(jìn)入光學(xué)調(diào)制單元205，經(jīng)不同數(shù)量的(l＝m)調(diào)制組后，調(diào)制為偏振方向與入射圓偏振激光束相反、拓?fù)浜蔀閙的光學(xué)旋渦；在去除最后一組調(diào)制組的半波片的情況下，調(diào)制產(chǎn)生為偏振與入射圓偏振光保持一致的拓?fù)浜蔀?m的光學(xué)旋渦。左旋圓偏振激光束調(diào)制結(jié)果與之相反；通過改變四分之一波片的角度(π/2)，可以實現(xiàn)左右旋圓偏振激光束的轉(zhuǎn)換。具體地，光學(xué)旋渦拓?fù)浜傻恼?fù)只跟最后一組調(diào)制組的最后一個半波片有關(guān)，保留最后一個調(diào)制組中的半波片，得到位相變化沿順時針變化的拓?fù)浜蔀閘的光學(xué)旋渦；去掉最后一組調(diào)制組的最后一個半波片，得到位相沿逆時針變化的拓?fù)浜蔀?l的光學(xué)旋渦。

本實施例中的光路補償單元208，用于對檢測光束進(jìn)行光程補充，進(jìn)行光程補償后的檢測光束將與產(chǎn)生的光學(xué)旋渦同步入射至合束單元207，因為在實際應(yīng)用中，光學(xué)旋渦與線偏振光干涉產(chǎn)生叉形光柵，所產(chǎn)生叉數(shù)代表了光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蛿?shù)，從而可以方便的對光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蛇M(jìn)行檢測。

本實施例中，各單元用到的器件如圖4所示，其中反射單元203采用反射鏡，光路補償單元208采用四片反射鏡和一片偏振片進(jìn)行光學(xué)補償，合束單元207為分光片，偏振單元206為偏振片，具體地，渦旋波片的快軸沿波片圓周旋轉(zhuǎn)一周時，快軸方向的角度改變π，可用于調(diào)制光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蓴?shù)改變1。根據(jù)需要產(chǎn)生的光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蓴?shù)可確定出本實施例的基本光束調(diào)制結(jié)構(gòu)，即需要多少個調(diào)制組組成光學(xué)調(diào)制單元205。本實施例還可對光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蛇M(jìn)行降階調(diào)制。例如：l(l＝m-n)階飛秒柱矢量光束可由拓?fù)浜蔀閙的光學(xué)旋渦依次經(jīng)n個渦旋波片調(diào)制產(chǎn)生。

需要注意的是，在調(diào)制過程中，各渦旋波片需要同軸調(diào)制，其中渦旋波片快軸的起始方向保持一致。還需注意的是，由于光學(xué)調(diào)制單元205中調(diào)制組的半波片是用于調(diào)制輸出光束的偏振方向，因此，當(dāng)需要產(chǎn)生偏振方向與入射圓偏振光一致的光學(xué)旋渦時，沿光路最后一個半波片應(yīng)當(dāng)去除；當(dāng)所需調(diào)制產(chǎn)生的光學(xué)旋渦的偏振方向與入射偏振相反時，沿光路最后一個半波片應(yīng)當(dāng)保留。

利用本實施例，只要通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)四分之一波片的方向變化π/2，就可以實現(xiàn)在不改變光學(xué)旋渦拓?fù)浜傻那疤嵯赂淖兿辔蛔兓姆较?。圖5a、5b分別是渦旋波片和半波片快軸方向分布示意圖。圖6a及6b分別是拓?fù)浜蔀?和3的光學(xué)旋渦相位分布示意圖。圖7a及7b分別為拓?fù)浜蔀?和3的線偏光學(xué)旋渦與線偏光干涉產(chǎn)生的叉形光柵條紋。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型提供的上述實施例通過快軸方向沿波片圓周連續(xù)變化的渦旋波片組合可由圓偏振激光束調(diào)制產(chǎn)生任意拓?fù)浜傻母咝?、高純度、高穩(wěn)定性的光學(xué)旋渦，實現(xiàn)對光場的調(diào)制，該技術(shù)在加工、通信、光學(xué)操控、表面增強拉曼散射研究等前沿領(lǐng)域具有重大意義。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。