CN107976815A - 旋转涡旋光束的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转涡旋光束的形成方法，属于光学领域，该旋转涡旋光束的形成方法包括如下步骤：提供可发射形成光束的光源，光束的数量为至少两束，每束光束之间存在波长间隔，至少两束光束中一束为涡旋光束，其他光束为涡旋光束、平面波、高速光束中的一种或多种，其中，至少两束涡旋光束的拓扑荷数的螺旋相位分布相反；光源发射至少两束光束并使之形成干涉以形成旋转涡旋光束，该旋转涡旋光束的形成方法可以有效补偿光束沿切线方向上介质折射率的不均匀性，提高光束的指向性和能量集中度。

Description

旋转涡旋光束的形成方法
技术领域
本发明涉及一种旋转涡旋光束的形成方法，属于光学领域。
背景技术
激光由于其优秀的方向性和高亮度性，在激光通信、激光定位、环境遥感、激光跟踪以及激光成像等领域得到广泛地应用。但是激光在大气层中传输过程中，不可避免地会受到大气湍流的影响，这是由于大气环境具有不稳定性，其温度、湿度、密度等随时间不断变化，另外，大气中的水、气溶胶(雾、烟、霾、尘等)也随之处于不停运动和变化中，大气可看作是一种不均匀随机介质。激光在大气传输过程中不断引入不均匀的相位调制，当该调制尺度远大于光束直径时，激光经大气传输后将发生“折射”效应，使得光束的传播方向不停变化，即发生光束漂移现象，会大幅度地降低光束的指向性；当该调制尺度接近或小于光束直径时，激光经大气传输后将发生“衍射”效应，即光束扩展、闪烁、相位起伏等现象，直接造成光束的能量集中度和相干性下降。另外，随着激光功率的不断增大，激光在大气传输中会引起受激拉曼散射等一系列非线性效应。以上效应直接限制了激光在大气中的应用。现今为止，人们主要还是基于自适应光学原理，利用自适应光学***实现相位共轭补偿的方式去有效“补偿”光束相位的不均匀分布，进而提高光束的指向性和能量集中度，但该***结构复杂，运行成本较高。
光束“旋转”是一种特殊的光束调控方法，该方法可以有效补偿光束沿切线方向上介质的不均匀性，在现有技术中，传统的方式为采用机械或光电调控实现光束的旋转，但是不管是“机械”调控旋转还是“电-光”调控旋转，其转速往往不够，无法满足不均匀调制快速变化的补偿。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转涡旋光束的形成方法，其利用“光-光”调制，使光束发生快速旋转，可以有效补偿光束沿切线方向上介质折射率的不均匀性，提高光束的指向性和能量集中度。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种旋转涡旋光束的形成方法，所述旋转涡旋光束的形成方法包括如下步骤：提供可发射形成光束的光源，所述光束的数量为至少两束，每束光束之间存在波长间隔，至少两束所述光束中一束为涡旋光束，其他光束为涡旋光束、平面波、高速光束中的一种或多种，其中，至少两束涡旋光束的拓扑荷数的螺旋相位分布相反；所述光源发射至少两束所述光束并使之形成干涉以形成旋转涡旋光束。
进一步地，至少两束所述光束同源。
进一步地，至少两束所述光束的光源部分相同。
进一步地，至少两束所述光束的光源不相同。
进一步地，所述旋转涡旋光束的旋转周期与所述光源所发出的涡旋光束的波长间隔呈反比，且与所述涡旋光束的拓扑荷数呈正比。
进一步地，所述光束的数量为两束，所述旋转涡旋光束的旋转周期的计算公式如下：
其中，c为光速，T为光束旋转周期，λ1和λ2分别为两束光束的中心波长，l为拓扑荷数。
进一步地，所述涡旋光束的中心呈空心结构，所述空心结构的面积随所述光源所发出的光束的拓扑荷数的增大而增大。
进一步地，所述旋转涡旋光束的旋转周期可在纳秒及皮秒量级内调整。
本发明的有益效果在于：本发明的旋转涡旋光束的形成方法采用使至少两束存在不同波长间隔的光束形成干涉，其中至少一束光束为涡旋光束(若至少两束涡旋光束，则至少两束涡旋光束的拓扑荷数的螺旋相位分布相反)，通过利用“光-光”调制，使光束发生快速旋转，可以有效补偿光束沿切线方向上介质折射率的不均匀性，提高光束的指向性和能量集中度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明所采用的涡旋光束的强度分布图；
图2为拓扑荷数分别为1、2、3、4时对应的涡旋光束相位涡旋分布图；
图3a为形成旋转涡旋光束的两束相干光束且拓扑荷数l1＝-l2＝1的旋转过程示意图；
图3b为形成旋转涡旋光束的两束相干光束且拓扑荷数l1＝-l2＝2的旋转过程示意图；
图4为旋转涡旋光束的旋转周期与波长间隔和拓扑荷数的变化关系图；
图5为不同拓扑荷数相干所形成的旋转涡旋光的强度分布效果图；
图6为光束经大气湍流传输后以及分别经“机械”和“光-光”调制后的光束指向性统计分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明所提供了一种涡旋光束的形成方法，其包括如下步骤：提供可发射形成光束的光源，所述光束的数量为至少两束，每束光束之间存在间隔波长，每束光束均为涡旋光束，至少两束涡旋光束的拓扑荷数的螺旋相位分布相反；所述光源发射至少两束所述光束并使之形成干涉以形成涡旋光束。在具体实施中，至少两束所述光束可以为同源或者光源部分相同或者光源不相同。
涡旋光束由于其相位面具有涡旋结构，其光子携带与涡旋相位有关的轨道角动量。通常情况下，涡旋光束也是以高斯光束为基础的，其电场可以表示为：
其中A表示高斯光束的振幅，表示拓扑荷数，ω0表示高斯光束腰半径，r表示径向距离，t表示时间，ω1表示光束角频率，上式的表示光束传输过程中的螺旋线相位面。请参见图1，所形成的涡旋光束的中心呈空心结构，该空心结构的面积随拓扑荷数的增大而增大。请参见图2，当拓扑荷数为1、2、3、4时对应的涡旋光束相位涡旋分布图，随着拓扑荷数的增加，涡旋相位面的跃变线数不断增加。
下面以涡旋光束的数量为两束为例，当两束具有一定波长间隔的涡旋光实现光场叠加时，干涉合成的旋转涡旋光束的电场可以表示为：
其强度表示为：
当l1≠l2时，叠加光强分布无规律；当且仅当l1＝-l2时，叠加后的相干合成旋转涡旋光束近场强度分布仅与幅角有关，同时，光强分布随时间超快速旋转，如图3a、3b所示。如图4所示，当波长间隔在1nm左右时，光强分布旋转一周所需要的时间在ps量级，该旋转涡旋光束的旋转周期的公式如下：
其中，c为光速，T为光束旋转周期，λ1和λ2分别为两束光束的中心波长，l为拓扑荷数。所述旋转涡旋光束的旋转周期可在纳秒及皮秒量级内调整，例如：对于中心波长分别为1064nm和1063nm、拓扑荷数分别为l1＝1和l2＝-1的涡旋光束干涉，合束后的旋转涡旋光束的旋转周期约为7.5ps，对于中心波长分别为1064nm和1064.1nm、拓扑荷数分别为l1＝2和l2＝-2的涡旋光束干涉，合束后的旋转涡旋光束的旋转周期约为0.3ns。
请参见图5，拓扑荷数为1、2、3、4时对应的相干合束涡旋光束的瞬间强度分布图，通过该图4及图5可看出：所述旋转涡旋光束的旋转周期与所述光源所发出的涡旋光束的波长间隔呈反比关系，与涡旋光束的拓扑荷数呈正比关系。
除此之外，旋转涡旋光束的形成方法可以包括如下步骤：提供可发射形成光束的光源，所述光束的数量为至少两束，每束光束之间存在波长间隔，至少两束所述光束中至少一束为涡旋光束，其他光束为平面波或高速光束，其中，至少两束涡旋光束的拓扑荷数的螺旋相位分布相反；所述光源发射至少两束所述光束并使之形成干涉以形成旋转涡旋光束。经实验，发明人通过将不同波长间隔的涡旋光束与平面波或高速光束形成干涉后形成所述旋转涡旋光束，其所形成的旋转涡旋光束的性能与前述由两束涡旋光束所形成的旋转涡旋光束的性能相似。
请参见图6，激光在大气传输过程中，随机的湍流引起的相位扰动会直接影响光束的指向性，图中“×”表示光束受到大气湍流扰动传输数公里后的光束远场指向性的统计分布，“+”表示该光束利用传统“机械”旋转调控(转动速度约2万转/分)后光束指向性的统计分布，“米”表示利用“光-光”调制的旋转涡旋光束指向性统计分布，通过图6可以看出，“米”字形集中在原点，所以，明显地在远场指向性提高方面，旋转涡旋光束方法优于传统“机械”旋转调控方法。
综上所述，上述旋转涡旋光束的形成方法采用使至少两束存在不同波长间隔的光束形成干涉，其中至少一束光束为涡旋光束(若至少两束涡旋光束，则至少两束涡旋光束的拓扑荷数的螺旋相位分布相反)，通过利用“光-光”调制，使光束发生快速旋转，可以有效补偿光束沿切线方向上介质折射率的不均匀性，提高光束的指向性和能量集中度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种旋转涡旋光束的形成方法，其特征在于，所述旋转涡旋光束的形成方法包括如下步骤：提供可发射形成光束的光源，所述光束的数量为至少两束，每束光束之间存在波长间隔，至少两束所述光束中一束为涡旋光束，其他光束为涡旋光束、平面波、高速光束中的一种或多种，其中，至少两束涡旋光束的拓扑荷数的螺旋相位分布相反；所述光源发射至少两束所述光束并使之形成干涉以形成旋转涡旋光束。
2.如权利要求1所述的旋转涡旋光束的形成方法，其特征在于，至少两束所述光束同源。
3.如权利要求1所述的旋转涡旋光束的形成方法，其特征在于，至少两束所述光束的光源部分相同。
4.如权利要求1所述的旋转涡旋光束的形成方法，其特征在于，至少两束所述光束的光源不相同。
5.如权利要求1所述的旋转涡旋光束的形成方法，其特征在于，所述旋转涡旋光束的旋转周期与所述光源所发出的涡旋光束的波长间隔呈反比，且与所述涡旋光束的拓扑荷数呈正比。
6.如权利要求1所述的旋转涡旋光束的形成方法，其特征在于，所述光束的数量为两束，所述旋转涡旋光束的旋转周期的计算公式如下：
<mrow> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>|</mo> <mi>l</mi> <mo>|</mo> </mrow> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>1</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，c为光速，T为光束旋转周期，λ1和λ2分别为两束光束的中心波长，l为拓扑荷数。
7.如权利要求1所述的旋转涡旋光束的形成方法，其特征在于，所述涡旋光束的中心呈空心结构，所述空心结构的面积随所述光源所发出的光束的拓扑荷数的增大而增大。
8.如权利要求1所述的旋转涡旋光束的形成方法，其特征在于，所述旋转涡旋光束的旋转周期可在纳秒及皮秒量级内调整。
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