CN106560738B - 一种完美ig涡旋光束的产生装置及产生方法 - Google Patents

Abstract

一种完美IG涡旋光束的产生装置，包括一连续波激光器，所述连续波激光器发出的光束经反射镜照射在准直扩束器上，经准直扩束器准直的光束依次穿过起偏器、分束立方体，由分束立方体反射的光束照射在反射式空间光调制器上，经反射式空间光调制器反射的光束重新照射在分束立方体上，并透过分束立方体照射在小孔光阑上，透过小孔光阑的光束照射在检偏器上，由检偏器透射的光束经凸透镜照射在CCD相机上。本发明有益效果：本发明完美IG涡旋光束的产生装置和方法能够实现参数可实时在线自由调控的椭圆形完美涡旋光束，涡旋光束的半径可不随拓扑荷值变化。

Description

一种完美IG涡旋光束的产生装置及产生方法

技术领域

本发明涉及微粒光操纵和光学测试领域，具体地说是一种完美IG涡旋光束的产生装置及产生方法。

背景技术

涡旋光束在光学诱捕、操纵微小粒子等方面有着广泛的应用。成为近年来信息光学领域一个非常重要的研究热点。但是普通的涡旋光束中心暗斑的大小随着拓扑荷值的增加而增大。然而，在光学涡旋相关的俘获和操纵微粒的应用场合中，往往希望同时得到大的拓扑荷与较小的中心暗斑。为了解决这个问题，2013年，Andrey S. Ostrovsky等人提出了完美涡旋的概念，该涡旋光束亮环半径不依赖于拓扑荷值【Opt. Lett. 38, 534 2013】。但该方法伴随完美涡旋光束均会产生额外的杂散光环。2015年，Pravin Vaity等通过对贝塞尔-高斯光束做傅里叶变换，从而获得无额外光环的整数阶完美涡旋【Opt. Lett. 40, 5972015】。

另一方面，椭圆空心光束由于只要改变椭圆率即可改变光束的形状。因此，在微操控冷原子团簇等方面倍受关注。2004年Bandres, Miguel A.等人提出的Ince-Gaussian(IG)涡旋光束【J. Opt. Soc. Am. A.21,873 2004】由于具有稳定的椭圆形光强分布，一直以来受到研究者们的关注。2006年，Bentley, J. B，Davis, J. A.等人通过液晶显示器在实验上生成了IG涡旋光束【Opt. Lett. 31, 649 2006】。2011年，Mike Woerdemann等人，使用IG涡旋光束进行微粒的操纵【Applied Physics Letters.98,111101 2011】。

综上所述，在涡旋光束研究领域中，尚缺少一种可用于微粒操纵的半径不随拓扑荷值变化的椭圆涡旋光束（即完美IG涡旋光束）的产生装置和产生方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种完美IG涡旋光束的产生装置及产生方法，用于产生一种半径不随拓扑荷值变化的椭圆涡旋光束。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种完美IG涡旋光束的产生装置，包括一连续波激光器（100），所述连续波激光器（100）发出的光束经反射镜（110）照射在准直扩束器（120）上，经准直扩束器（120）准直的光束依次穿过起偏器（140）、分束立方体（150），由分束立方体（150）反射的光束照射在反射式空间光调制器（200）上，经反射式空间光调制器（200）反射的光束重新照射在分束立方体（150）上，并透过分束立方体（150）照射在小孔光阑（210）上，透过小孔光阑（210）的光束照射在检偏器（141）上，由检偏器（141）透射的光束经凸透镜（130）照射在CCD相机（300）上，所述的反射式空间光调制器（200）和CCD相机（300）均与计算机（400）连接，CCD相机（300）捕捉到的光强图样传输到计算机（400）进行处理。

利用完美IG涡旋光束的产生装置产生完美涡旋光束的方法，包括以下步骤：

步骤一、结合计算全息原理，利用计算机（400）生成透过椭圆形锥透镜的IG涡旋光束与平面波干涉的光强图，具体过程如下：

平面波的电场表示为：

其中，E ₀ 表示振幅强度；k表示波数；z表示传播距离；

垂直入射到椭圆形锥透镜上的高斯调制的IG涡旋光束的电场表示为：

其中，为振幅常数；为束腰半径； i为虚数单位；和分别为椭圆坐标系的径向和角向椭圆变量；表示椭圆坐标系的椭圆率；和分别为偶次和奇次因斯多项式；m是因斯多项式的级数，同时也等于拓扑荷数；p为因斯多项式的阶数，m和p始终具有相同的奇偶性；

椭圆形锥透镜的复振幅透过率函数为：

式中，n为椭圆形锥透镜材料折射率，a为椭圆形锥透镜的锥角，即椭圆形锥透镜锥面与底平面的夹角；k为波数，R为椭圆形锥透镜光瞳半径；

IG涡旋光束经过椭圆形锥透镜后与平面波干涉的复振幅分布为：

；

步骤二、生成复振幅E ₁ 的光强图作为全息图，并利用计算机（400）将其写入反射式空间光调制器（200）；

步骤三、打开连续波激光器（100）电源，连续波激光器（100）发出的光束被反射镜（110）反射后，进入准直扩束器（120）进行扩束准直，准直后的光束近似为平面波，并经过起偏器（140）后变为线偏振光，照射在分束立方体（150）上；经分束立方体（150）后的光束被分为两束，一束为反射光，一束为透射光；所述的反射光束照射在反射式空间光调制器（200）上；

步骤四、照射在反射式空间光调制器（200）上的光束用来衍射再现经椭圆形锥透镜调制的IG涡旋光束；衍射再现的光束经过分束立方体（150）后照射在小孔光阑（210）上，用以筛选出+1级衍射光束，之后通过检偏器（141）照射在凸透镜（130）上进行傅里叶变换生成完美IG涡旋光束。

步骤四中生成的完美IG涡旋光束在CCD相机（300）中成像后，图像进入计算机（400）进行后续分析；根据计算机（400）的分析结果，通过调节步骤一中m和p的数值，得到光环大小不同的完美IG涡旋光束。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明完美IG涡旋光束的产生装置和方法能够实现参数可实时在线自由调控的椭圆形完美涡旋光束，涡旋光束的半径可不随拓扑荷值变化；本发明装置具有原理简洁、成本低廉、参数可实时在线调节、易于操作的优点；可广泛应用于微粒光操纵、光学测试等领域。

附图说明

图1为本发明完美IG涡旋光束产生装置的结构示意图；

图2为m=7，p=11时计算机记录的完美IG涡旋光束的光强图；

图3为m=9，p=11时计算机记录的完美IG涡旋光束的光强图；

图4为m=11，p=11时计算机记录的完美IG涡旋光束的光强图；

图5为m=10，p=14时计算机记录的完美IG涡旋光束的光强图；

图6为m=12，p=14时计算机记录的完美IG涡旋光束的光强图；

图7为m=14，p=14时计算机记录的完美IG涡旋光束的光强图。

图中标记： 100、连续波激光器，110、反射镜，120、准直扩束器，130、凸透镜， 140、起偏器，141、检偏器，150、分束立方体，200、反射式空间光调制器，210、小孔光阑， 300、CCD相机，400、计算机。

具体实施方式

一种完美IG涡旋光束的产生装置，包括一连续波激光器（100），所述连续波激光器（100）发出的光束经反射镜（110）照射在准直扩束器（120）上，经准直扩束器（120）准直的光束依次穿过起偏器（140）、分束立方体（150），由分束立方体（150）反射的光束照射在反射式空间光调制器（200）上，经反射式空间光调制器（200）反射的光束重新照射在分束立方体（150）上，并透过分束立方体（150）照射在小孔光阑（210）上，透过小孔光阑（210）的光束照射在检偏器（141）上，由检偏器（141）透射的光束经凸透镜（130）照射在CCD相机（300）上，所述的反射式空间光调制器（200）和CCD相机（300）均与计算机（400）连接，CCD相机（300）捕捉到的光强图样传输到计算机（400）进行处理。

利用完美IG涡旋光束的产生装置产生完美涡旋光束的方法，包括以下步骤：

步骤一、结合计算全息原理，利用计算机（400）生成透过椭圆形锥透镜的IG涡旋光束与平面波干涉的光强图，具体过程如下：

平面波的电场表示为：

其中，E ₀ 表示振幅强度；k表示波数；z表示传播距离；

垂直入射到椭圆形锥透镜上的高斯调制的IG涡旋光束的电场表示为：

其中，为振幅常数；为束腰半径； i为虚数单位；和分别为椭圆坐标系的径向和角向椭圆变量；表示椭圆坐标系的椭圆率；和分别为偶次和奇次因斯多项式；m是因斯多项式的级数，同时也等于拓扑荷数；p为因斯多项式的阶数，m和p始终具有相同的奇偶性；

椭圆形锥透镜的复振幅透过率函数为：

式中，n为椭圆形锥透镜材料折射率，a为椭圆形锥透镜的锥角，即椭圆形锥透镜锥面与底平面的夹角；k为波数，R为椭圆形锥透镜光瞳半径；

IG涡旋光束经过椭圆形锥透镜后与平面波干涉的复振幅分布为：

；

步骤二、生成复振幅E ₁ 的光强图作为全息图，并利用计算机（400）将其写入反射式空间光调制器（200）；

步骤三、打开连续波激光器（100）电源，连续波激光器（100）发出的光束被反射镜（110）反射后，进入准直扩束器（120）进行扩束准直，准直后的光束近似为平面波，并经过起偏器（140）后变为线偏振光，照射在分束立方体（150）上；经分束立方体（150）后的光束被分为两束，一束为反射光，一束为透射光；所述的反射光束照射在反射式空间光调制器（200）上；

步骤四、照射在反射式空间光调制器（200）上的光束用来衍射再现经椭圆形锥透镜调制的IG涡旋光束；衍射再现的光束经过分束立方体（150）后照射在小孔光阑（210）上，用以筛选出+1级衍射光束，之后通过检偏器（141）照射在凸透镜（130）上进行傅里叶变换生成完美IG涡旋光束。

步骤四中生成的完美IG涡旋光束在CCD相机（300）中成像后，图像进入计算机（400）进行后续分析；根据计算机（400）的分析结果，通过调节步骤一中m和p的数值，得到光环大小不同的完美IG涡旋光束。

图2-图7为计算机400记录的一组完美IG涡旋光束光强图，图2、图3、图4中径向指数p均取的是11，拓扑荷值m=7、9、11（IG光束要求m和p具有相同的奇偶性）；图5、图6、图7中取的径向指数p为14，拓扑荷值m=10、12、14。图中2a表示椭圆光环的长轴，2b表示短轴。由图可以看出，随着拓扑荷m的变化，光环半径几乎不变，形成了椭圆形的完美涡旋。而且，光环长轴和短轴随着IG光束的径向指数p的增加而减小。因此，本发明产生的完美IG涡旋光束可以通过调节径向指数p来调节光环大小。

本发明装置和方法能产生完美IG涡旋光束，并且具有原理简洁、结构简单，可在线调控，易于操作的优点。

Claims (2)

1.一种完美IG涡旋光束的产生方法，该完美IG涡旋光束通过一涡旋光束产生装置产生，所述产生装置包括一连续波激光器(100)，所述连续波激光器(100)发出的光束经反射镜(110)照射在准直扩束器(120)上，经准直扩束器(120)准直的光束依次穿过起偏器(140)、分束立方体(150)，由分束立方体(150)反射的光束照射在反射式空间光调制器(200)上，经反射式空间光调制器(200)反射的光束重新照射在分束立方体(150)上，并透过分束立方体(150)照射在小孔光阑(210)上，透过小孔光阑(210)的光束照射在检偏器(141)上，由检偏器(141)透射的光束经凸透镜(130)照射在CCD相机(300)上，所述的反射式空间光调制器(200)和CCD相机(300)均与计算机(400)连接，CCD相机(300)捕捉到的光强图样传输到计算机(400)进行处理，其特征在于：所述产生方法包括以下步骤：

步骤一、结合计算全息原理，利用计算机(400)生成透过椭圆形锥透镜的IG涡旋光束与平面波干涉的光强图，具体过程如下：

平面波的电场表示为：

E_p＝E₀exp(-ikz)

其中，E₀表示振幅强度；k表示波数；z表示传播距离；

垂直入射到椭圆形锥透镜上的高斯调制的IG涡旋光束的电场表示为：

其中，A₀为振幅常数；W₀为束腰半径；i为虚数单位；ξ和η分别为椭圆坐标系的径向和角向椭圆变量；ε表示椭圆坐标系的椭圆率；和分别为偶次和奇次因斯多项式；m是因斯多项式的级数，同时也等于拓扑荷数；p为因斯多项式的阶数，m和p始终具有相同的奇偶性；

椭圆形锥透镜的复振幅透过率函数为：

式中，n为椭圆形锥透镜材料折射率，α为椭圆形锥透镜的锥角，即椭圆形锥透镜锥面与底平面的夹角；k为波数，R为椭圆形锥透镜光瞳半径；

IG涡旋光束经过椭圆形锥透镜后与平面波干涉的复振幅分布为：

步骤二、生成复振幅E₁的光强图作为全息图，并利用计算机(400)将其写入反射式空间光调制器(200)；

步骤三、打开连续波激光器(100)电源，连续波激光器(100)发出的光束被反射镜(110)反射后，进入准直扩束器(120)进行扩束准直，准直后的光束近似为平面波，并经过起偏器(140)后变为线偏振光，照射在分束立方体(150)上；经分束立方体(150)后的光束被分为两束，一束为反射光，一束为透射光；所述的反射光束照射在反射式空间光调制器(200)上；

步骤四、照射在反射式空间光调制器(200)上的光束用来衍射再现经椭圆形锥透镜调制的IG涡旋光束；衍射再现的光束经过分束立方体(150)后照射在小孔光阑(210)上，用以筛选出+1级衍射光束，之后通过检偏器(141)照射在凸透镜(130)上进行傅里叶变换生成完美IG涡旋光束。

2.根据权利要求1所述的一种完美IG涡旋光束的产生方法，其特征在于：所述步骤四中生成的完美IG涡旋光束在CCD相机(300)中成像后，图像进入计算机(400)进行后续分析；根据计算机(400)的分析结果，通过调节步骤一中m和p的数值，得到光环大小不同的完美IG涡旋光束。