一種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束的產(chǎn)生裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束的產(chǎn)生裝置，所述裝置一種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束產(chǎn)生裝置，包括一連續(xù)波激光器；所述連續(xù)波激光器發(fā)出光束的前進(jìn)方向設(shè)有反射鏡，經(jīng)反射鏡反射后的光束前進(jìn)方向依次設(shè)有針孔濾波器、凸透鏡I、起偏器和分束立方體；經(jīng)分束立方體后的光束分為兩束，其中一束為反射光，一束為透射光；在反射光前進(jìn)方向上設(shè)有反射式空間光調(diào)制器，經(jīng)反射式空間光調(diào)制器反射后產(chǎn)生的光束經(jīng)過經(jīng)分束立方體后，其前進(jìn)方向上依次設(shè)有檢偏器、小孔光闌、凸透鏡II和CCD相機(jī)；本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)可實(shí)時(shí)在線自由調(diào)控的分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束，可廣泛應(yīng)用于微粒光操縱、光學(xué)測試等領(lǐng)域。
【專利說明】
一種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束的產(chǎn)生裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及微粒光操縱和光學(xué)測試領(lǐng)域，具體的說是一種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光 束的產(chǎn)生裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 渦旋光束在光學(xué)誘捕、操縱微小粒子等方面有著廣泛的應(yīng)用。成為近年來信息光 學(xué)領(lǐng)域一個(gè)非常重要的研究熱點(diǎn)。2004年，M.V. Berry首次系統(tǒng)、全面的闡述了分?jǐn)?shù)階光學(xué) 渦旋的理論基礎(chǔ)【J Opt a-Pure Appl 0p，2004, 6(2): 259】;隨后，分?jǐn)?shù)階渦旋光束得到 了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證【New J Phys，2004, 6(1): 71】。分?jǐn)?shù)階渦旋光束可攜帶更多信息量、且能提 供更精細(xì)化的微粒操作，成為渦旋光學(xué)領(lǐng)域眾多研究者競相研究的熱點(diǎn)課題。
[0003] 目前產(chǎn)生渦旋光束的方法很多，主要有模式變換法、螺旋相位板法及基于空間光 調(diào)制器的計(jì)算全息法等。這些方法產(chǎn)生的渦旋光束亮環(huán)半徑隨拓?fù)浜傻脑龃蠖黾樱@種 特性使得渦旋光束很難大規(guī)模耦合到同一根光纖中。2013年，Andrey S. Ostrovsky等人提 出了完美渦旋的概念，該渦旋光束亮環(huán)半徑不依賴于拓?fù)浜芍怠綩pt. Lett. 38，534 (2013)】，但該方法伴隨完美渦旋光束均會(huì)產(chǎn)生額外的雜散光環(huán)。2015年，Pravin Vaity等 通過對貝塞爾-高斯光束做傅里葉變換，從而獲得無額外光環(huán)的整數(shù)階完美渦旋【Opt. Lett.，40，597(2015)】。最近，實(shí)用新型專利"產(chǎn)生完美渦旋陣列的二維編碼相位光柵" (公開號為104808272A，【公開日】為2015.07.29)，介紹了一種產(chǎn)生完美渦旋的二維編碼相位 光柵，通過該二維編碼相位光柵的調(diào)制，在其傅立葉變換面上可以同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)攜帶不同 拓?fù)浜傻耐昝罍u旋陣列。但是上述所有方案所產(chǎn)生的渦旋光束均為整數(shù)階完美渦旋，而如 何產(chǎn)生分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束是該領(lǐng)域面臨的一個(gè)亟待解決的難題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型目的是為解決上述技術(shù)問題的不足，提供一種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束的 產(chǎn)生裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)可實(shí)時(shí)在線自由調(diào)控的分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束。
[0005] 本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束產(chǎn)生裝置，包括一連續(xù)波激光器;所述連續(xù)波激光器發(fā) 出光束的前進(jìn)方向設(shè)有反射鏡，經(jīng)反射鏡反射后的光束前進(jìn)方向依次設(shè)有針孔濾波器、凸 透鏡I、起偏器和分束立方體;經(jīng)分束立方體后的光束分為兩束，其中一束為反射光，一束為 透射光;在反射光前進(jìn)方向上設(shè)有反射式空間光調(diào)制器，經(jīng)反射式空間光調(diào)制器反射后產(chǎn) 生的光束經(jīng)過經(jīng)分束立方體后，其前進(jìn)方向上依次設(shè)有檢偏器、小孔光闌、凸透鏡II和CCD 相機(jī)；
[0007] 所述的反射式空間光調(diào)制器、CCD相機(jī)分別與計(jì)算機(jī)連接;所述的針孔濾波器與凸 透鏡I間的距離為凸透鏡I的焦距；所述的反射式空間光調(diào)制器置于凸透鏡II的前焦平面 上;所述的C⑶相機(jī)置于凸透鏡II的后焦平面上。
[0008] 利用所述分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束產(chǎn)生裝置產(chǎn)生分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束的方法，包括以 下步驟：
[0009] 步驟一、利用計(jì)算機(jī)生成含有錐透鏡透過率函數(shù)和分?jǐn)?shù)階渦旋光束與平面波干涉 的光強(qiáng)圖；具體過程如下：
[0010] 平面波的電場表示為：
[0011] EJf=E9eap( -ifc:)
[0012] 其中，E〇表示振幅強(qiáng)度j表示波數(shù)，z表示傳播距離；
[0013]垂直入射到錐透鏡上的禍旋光束的電場表不為：
[0015]其中，為為振幅常數(shù)，，為束腰半徑，動(dòng)拓?fù)浜蓴?shù)，取分?jǐn)?shù);j為虛數(shù)單位；
[0016]錐透鏡的復(fù)振幅透過率函數(shù)為：
[0018] 式中，Z2為錐透鏡材料折射率，3為錐透鏡的錐角，即錐透鏡錐面與底平面的夾角 為波數(shù)，W為錐透鏡光瞳半徑；
[0019] 渦旋光束經(jīng)過錐透鏡后與平面波干涉的復(fù)振幅分布為：
[0020] 4 = 伊);
[0021] 步驟二、結(jié)合計(jì)算全息技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)將復(fù)振幅￡1的光強(qiáng)圖寫入反射式空間光 調(diào)制器；
[0022] 步驟三、打開連續(xù)波激光器電源，連續(xù)波激光器發(fā)出的光束被反射鏡反射后，進(jìn)入 針孔濾波器、然后經(jīng)凸透鏡I準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€偏振光，照射在分束立 方體上;經(jīng)分束立方體后的光束被分為兩束，一路為反射光，一路為透射光;所述的反射光 束照射在反射式空間光調(diào)制器上；
[0023] 步驟四、照射在反射式空間光調(diào)制器上的光束用來衍射再現(xiàn)分?jǐn)?shù)階貝塞爾-高斯 光束;衍射再現(xiàn)的貝塞爾-高斯光束經(jīng)過分束立方體、檢偏器及小孔光闌后，照射在凸透鏡 II上進(jìn)行傅里葉變換生成分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束；
[0024] 步驟五、所述的分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束在CCD相機(jī)中成像后，圖像進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后 續(xù)分析；
[0025] 步驟六、根據(jù)計(jì)算機(jī)分析結(jié)果，所產(chǎn)生的完美渦旋光束亮環(huán)半徑不隨分?jǐn)?shù)階拓?fù)?荷值m的改變而改變;通過調(diào)節(jié)步驟一中錐透鏡材料折射率或錐角a的數(shù)值，可以調(diào)節(jié)分?jǐn)?shù) 階完美渦旋光束亮環(huán)半徑。
[0026] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束產(chǎn)生裝置裝置和方 法能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)可實(shí)時(shí)在線自由調(diào)控的分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束;本實(shí)用新型裝置具有原理簡 潔、成本低廉、參數(shù)可實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)、易于操作的優(yōu)點(diǎn);可廣泛應(yīng)用于微粒光操縱、光學(xué)測試 等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本實(shí)用新型分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束產(chǎn)生裝置的裝置原理圖；圖中標(biāo)記：100、激 光器，110、反射鏡，120、針孔濾波器，130、凸透鏡I，131、凸透鏡II，141、起偏器，142、檢偏 器，150、分束立方體，200、反射式空間光調(diào)制器，210、小孔光闌，300、(XD相機(jī)，400、計(jì)算 機(jī)；
[0028] 圖2為計(jì)算機(jī)記錄的一組分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束強(qiáng)度圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 如圖所示，一種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束產(chǎn)生裝置，包括一連續(xù)波激光器100;所述連 續(xù)波激光器100發(fā)出光束的前進(jìn)方向設(shè)有反射鏡110,經(jīng)反射鏡110反射后的光束前進(jìn)方向 依次設(shè)有針孔濾波器120、凸透鏡1130、起偏器141和分束立方體150;經(jīng)分束立方體150后的 光束分為兩束，其中一束為反射光，一束為透射光;在反射光前進(jìn)方向上設(shè)有反射式空間光 調(diào)制器200,經(jīng)反射式空間光調(diào)制器200反射后產(chǎn)生的光束經(jīng)過經(jīng)分束立方體150后，其前進(jìn) 方向上依次設(shè)有檢偏器142、小孔光闌210、凸透鏡II131和C⑶相機(jī)300;
[0030] 所述的反射式空間光調(diào)制器200、CCD相機(jī)300分別與計(jì)算機(jī)400連接;所述的針孔 濾波器120與凸透鏡1130間的距離為凸透鏡1130的焦距;所述的反射式空間光調(diào)制器200置 于凸透鏡II131的前焦平面上;所述的C⑶相機(jī)300置于凸透鏡II131的后焦平面上。
[0031] 利用所述分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束產(chǎn)生裝置產(chǎn)生分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束的方法，包括以 下步驟：
[0032] 步驟一、利用計(jì)算機(jī)400生成含有錐透鏡透過率函數(shù)和分?jǐn)?shù)階渦旋光束與平面波 干涉的光強(qiáng)圖；具體過程如下：
[0033]平面波的電場表示為：
[0034] *3p(- ifcr)
[0035]其中，Eo表示振幅強(qiáng)度表示波數(shù)，z表示傳播距離；
[0036]垂直入射到錐透鏡上的渦旋光束的電場表示為：
[0038]其中，為為振幅常數(shù)，M為束腰半徑，動(dòng)拓?fù)浜蓴?shù)，取分?jǐn)?shù);J為虛數(shù)單位；
[0039]錐透鏡的復(fù)振幅透過率函數(shù)為：
[0041]式中，為錐透鏡材料折射率，a為錐透鏡的錐角，即錐透鏡錐面與底平面的夾角;女 為波數(shù)，W為錐透鏡光瞳半徑；
[0042] 渦旋光束經(jīng)過錐透鏡后與平面波干涉的復(fù)振幅分布為：
[0043]
[0044] 步驟二、結(jié)合計(jì)算全息技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)400將復(fù)振幅￡1的光強(qiáng)圖寫入反射式空間 光調(diào)制器200;
[0045] 步驟三、打開連續(xù)波激光器100電源，連續(xù)波激光器100發(fā)出的光束被反射鏡110反 射后，進(jìn)入針孔濾波器120、然后經(jīng)凸透鏡1130準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)起偏器141后變?yōu)榫€偏 振光，照射在分束立方體150上;經(jīng)分束立方體150后的光束被分為兩束，一路為反射光，一 路為透射光;所述的反射光束照射在反射式空間光調(diào)制器200上；
[0046]步驟四、照射在反射式空間光調(diào)制器200上的光束用來衍射再現(xiàn)分?jǐn)?shù)階貝塞爾-高 斯光束;衍射再現(xiàn)的貝塞爾-高斯光束經(jīng)過分束立方體150、檢偏器142和小孔光闌210后，照 射在凸透鏡II131上進(jìn)行傅里葉變換生成分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束；
[0047]步驟五、所述的分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束在CCD相機(jī)中成像后，圖像進(jìn)入計(jì)算機(jī)400進(jìn) 行后續(xù)分析；
[0048] 步驟六、根據(jù)計(jì)算機(jī)分析結(jié)果，所產(chǎn)生的完美渦旋光束亮環(huán)半徑不隨分?jǐn)?shù)階拓?fù)?荷值m的改變而改變;通過調(diào)節(jié)步驟一中錐透鏡材料折射率或錐角a的數(shù)值，可以調(diào)節(jié)分?jǐn)?shù) 階完美渦旋光束亮環(huán)半徑。 實(shí)施例
[0049] 如附圖1所示，一種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束的產(chǎn)生裝置，包括一連續(xù)波激光器100,該 實(shí)施例中連續(xù)波激光器100選擇波長為632.8nm，功率為3mW的He-Ne激光器;該連續(xù)波激光 器100發(fā)出的光束被反射鏡110反射后進(jìn)入空間濾波器120,然后經(jīng)凸透鏡I 130準(zhǔn)直，準(zhǔn)直 后的光束經(jīng)起偏器141后變?yōu)榫€偏振光，照射在分束立方體150上;經(jīng)分束立方體150后，反 射光照射在反射式空間光調(diào)制器200上；
[0050] 經(jīng)分束立方體150后的光束被分為兩束，一路為反射光，一路為透射光;反射光照 射在反射式空間光調(diào)制器200上，經(jīng)反射式空間光調(diào)制器200反射后產(chǎn)生分?jǐn)?shù)階貝塞爾-高 斯光束，分?jǐn)?shù)階貝塞爾-高斯光束經(jīng)過分束立方體150、檢偏器142后照射在小孔光闌210上， 經(jīng)過小孔光闌210后的分?jǐn)?shù)階貝塞爾-高斯光束經(jīng)凸透鏡II 131傅里葉變換產(chǎn)生分?jǐn)?shù)階完 美渦旋光束，分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束在CCD相機(jī)300中成像;后存儲(chǔ)進(jìn)計(jì)算機(jī)400進(jìn)行分析； [0051]所述的空間濾波器120與凸透鏡I 130間的距離為凸透鏡I 130的焦距;所述的反 射式空間光調(diào)制器200置于凸透鏡II 131的前焦平面上;所述的CCD相機(jī)300置于凸透鏡II 131的后焦平面上;所述的反射式空間光調(diào)制器200、C⑶相機(jī)300分別與計(jì)算機(jī)400相連； [0052]所述的反射式空間光調(diào)制器200的作用是產(chǎn)生分?jǐn)?shù)階貝塞爾-高斯光束;所述的起 偏器141和檢偏器142用于調(diào)節(jié)渦旋光束的光束質(zhì)量;所述的小孔光闌210的作用是選擇反 射式空間光調(diào)制器200衍射光場的一級衍射光束;所述的凸透鏡II 131的作用是對分?jǐn)?shù)階 貝塞爾_高斯光束進(jìn)行傅里葉變換。
[0053] 一種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束的產(chǎn)生方法，具體步驟如下：
[0054]步驟一、通過利用計(jì)算機(jī)400產(chǎn)生錐透鏡透過率函數(shù)和分?jǐn)?shù)階渦旋光束與平面波 干涉的光強(qiáng)圖，具體過程如下：
[0055]平面波的電場表示為：
[0056] Ep =j^,〇!p(-dz)
[0057]其中，Eo表示振幅強(qiáng)度，女表示波數(shù)，z表示傳播距離。
[0058]垂直入射到錐透鏡上的渦旋光束的電場表示為：
[0060]其中，為為振幅常數(shù)，，為束腰半徑，動(dòng)拓?fù)潆姾蓴?shù)，取分?jǐn)?shù)，J為虛數(shù)單位；
[0061 ]錐透鏡的復(fù)振幅振幅透過率為：
[0063] 式中，為錐透鏡材料折射率，3為錐透鏡的錐角，即錐透鏡錐面與底平面的夾角 為波數(shù)，W為錐透鏡光瞳半徑；
[0064] 渦旋光束經(jīng)過錐透鏡后與平面波干涉的復(fù)振幅分布為：
[0065] 馬=高t
[0066]步驟二、結(jié)合計(jì)算全息技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)400將復(fù)振幅￡1的光強(qiáng)圖寫入反射式空間 光調(diào)制器200;
[0067] 步驟三、打開連續(xù)波激光器100電源，連續(xù)波激光器100發(fā)出的光束被全反鏡110反 射后，進(jìn)入針孔濾波器120、然后經(jīng)凸透鏡I 130準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)起偏器141后變?yōu)榫€ 偏振光，照射在分束立方體150上;經(jīng)分束立方體150后的光束被分為兩束，一路為反射光， 一路為透射光;所述的反射光束照射在反射式空間光調(diào)制器200上；
[0068]步驟四、照射在反射式空間光調(diào)制器200上的光束用來衍射再現(xiàn)分?jǐn)?shù)階貝塞爾-高 斯光束;衍射再現(xiàn)的貝塞爾-高斯光束經(jīng)過分束立方體150、檢偏器142與小孔光闌210后，照 射在凸透鏡II 131上進(jìn)行傅里葉變換生成分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束；
[0069]步驟五、所述的分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束在(XD相機(jī)300中成像后，圖像存入計(jì)算機(jī)400 進(jìn)行后續(xù)分析；
[0070]步驟八、圖2為計(jì)算機(jī)記錄的一組分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束強(qiáng)度圖，圖中拓?fù)浜芍祄= 2.1~3.0，間隔為0.1階；由圖2中渦旋光束亮環(huán)缺口的變化可以看出，產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)階完美渦 旋光束非常理想;此外，通過調(diào)節(jié)步驟一中錐透鏡材料折射率或錐角a的數(shù)值，可以調(diào)節(jié)分 數(shù)階完美渦旋光束亮環(huán)半徑。本實(shí)用新型裝置和方法能產(chǎn)生分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束，并且具 有原理簡潔、結(jié)構(gòu)簡單，可在線調(diào)控，易于操作的優(yōu)點(diǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束產(chǎn)生裝置，包括一連續(xù)波激光器（100)，其特征在于:所述 連續(xù)波激光器（100)發(fā)出光束的前進(jìn)方向設(shè)有反射鏡（110 )，經(jīng)反射鏡（110)反射后的光束 前進(jìn)方向依次設(shè)有針孔濾波器（120)、凸透鏡I (130)、起偏器（141)和分束立方體（150);經(jīng) 分束立方體（150)后的光束分為兩束，其中一束為反射光，一束為透射光;在反射光前進(jìn)方 向上設(shè)有反射式空間光調(diào)制器(200)，經(jīng)反射式空間光調(diào)制器(200)反射后產(chǎn)生的光束經(jīng)過 經(jīng)分束立方體（150)后，其前進(jìn)方向上依次設(shè)有檢偏器（142)、小孔光闌（210)、凸透鏡II (131)和CCD相機(jī)(300); 所述的反射式空間光調(diào)制器(200)、CCD相機(jī)(300)分別與計(jì)算機(jī)(400)連接;所述的針 孔濾波器（120)與凸透鏡1(130)間的距離為凸透鏡1(130)的焦距;所述的反射式空間光調(diào) 制器(200)置于凸透鏡II (131)的前焦平面上;所述的CXD相機(jī)(300)置于凸透鏡II (131)的 后焦平面上。
【文檔編號】G02B27/10GK205594238SQ201521102637
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2015年12月24日
【發(fā)明人】馬海祥, 周洋, 李新忠
【申請人】河南科技大學(xué)