CN108897140B - 一种基于螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置。它包括激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、起偏器、消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、螺旋相位板、四分之一波片、第一反射镜、CCD、第二反射镜。首先，激光器产生高斯光束后，通过由两个凸透镜组成的准直***对光束进行准直，而后使用偏振片起偏；之后经消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜，螺旋相位板完成第一次拓扑荷数加倍；经四分之一波片、第一反射镜反向入射螺旋相位板后完成第二次拓扑荷数加倍；之后经第二反射镜、偏振分光棱镜、螺旋相位板完成第三次拓扑荷数加倍；最后经四分之一波片、第一反射镜反向入射螺旋相位板后完成第四次拓扑荷数加倍；加倍后的涡旋光经偏振分光棱镜、消偏振分光棱镜射入CCD观察涡旋光强度分布。本装置结构简单，成本低廉，转化效率高，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数的涡旋光制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，螺旋相位板是一种用于制备涡旋光的透明光学衍射元件。本装置结构简单，成本低廉，转化效率高，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数的涡旋光制备。
技术背景
涡旋光是一种具有中空暗核，携带轨道角动量的特殊光场。涡旋光表达式中的角相位因子exp(ilθ)表征了涡旋光的螺旋相位分布，其中l为拓扑荷数，θ为方位角。自1992年Allen等人发现了涡旋光携带轨道角动量以来，许多科学家围绕涡旋光展开了研究。如今，涡旋光已在多个领域有重要应用，如量子通信技术、光学粒子操控、光学测量、光学成像等。
螺旋相位板(Spiral phase plate,SPP)是制备涡旋光的一种常用光学衍射元件。1994年，Berjersbergen等人采用SPP将一束TEM00高斯光束变为了一束具有螺旋相位分布的涡旋光束。1996年，Turnbull等人采用SPP实现了毫米波段的厄米特-高斯模式向拉盖尔-高斯模式的转变。近年来，众多科学家围绕SPP展开了各项研究，2017年，辛璟焘等人结合萨格纳克干涉仪与螺旋相位板制备了矢量光束，2018年，C.L.Zhang等人利用螺旋相位片-波带片制备了长焦深涡旋光束。此外，SPP的制作方法和工艺也得到了长足的发展，2011年，范长江等人利用激光直写技术制作了高阶螺旋相位板，2015年，中国科学院光电技术研究所成功制备了拓扑荷数为1、3、10、20的高连续型螺旋相位板，2016年，Y.Chen等人结合透镜与螺旋相位板制备了毫米段波长的涡旋光束。
拓扑荷数是涡旋光的重要参数之一，制备大拓扑荷数涡旋光具有重要的现实意义。在量子通信中，信息的编码程度受限于拓扑荷数的大小，涡旋光拓扑荷数将直接决定光束携带信息量大小；在光学粒子操控领域，提高涡旋光拓扑荷数将增加中空暗核半径，有利于打破操控粒子体积、面积的限制；在光学测量和成像领域，提高拓扑荷数有助于提高检测的精度和灵敏度。本装置利用螺旋相位板对涡旋光束的偏振态进行控制，仅使用一块螺旋相位板就实现了涡旋光拓扑荷数的4重加倍，极大的提高了螺旋相位板的利用率，同时也为制备大拓扑荷数涡旋光提供了一种新的思路。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对现有螺旋相位板仅能制备特定拓扑荷数涡旋光的不足，提出了一种基于螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置，本装置结构简单，成本低廉，转化效率高，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数的涡旋光制备。
本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置，它包括激光器1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、起偏器4、消偏振分光棱镜5、偏振分光棱镜6、螺旋相位板7、四分之一波片8、第一反射镜9、CCD 10、第二反射镜11。结合起偏器4、偏振分光棱镜6、四分之一波片8和第一反射镜9，通过控制涡旋光的线偏振方向，可以使涡旋光在4重加倍期间全部由偏振分光棱镜6进行反射，不会因透射偏振分光棱镜6降低转化效率，理论上转化效率达到100％。
本发明的原理是：
(1)涡旋光拓扑荷数加倍原理
假设在螺旋相位板的出射平面(x0,y0)的涡旋光表达式为：
其中，ω为涡旋光半径，l1为该SPP对应的拓扑荷数。根据菲涅尔衍射积分定理可以得到该光束传播距离为z1时，在观察屏(x1,y1)处的表达式：
其中，
T(x1,y1,z1；x0,y0,z0＝0)为菲涅尔衍射积分算子，表达式为：
当涡旋光经反射镜反射，传播距离z2后其表达式变为：
该光束反向透射螺旋相位板，获得螺旋相位板因子exp(-il1θ)。当其传播z3距离后，同样利用菲涅尔衍射积分公式可以得到该光束在观察屏(x2,y2)处的表达式为：
化简后可得：
其中，
以上即为利用螺旋相位板对涡旋光拓扑荷数进行加倍的原理。通过对比表达式(1)中的
项和(6)中的
项可知，加倍后的涡旋光旋向与第一次透射螺旋相位板的旋向相反，但拓扑荷数加倍。
(2)涡旋光偏振态转化原理
若设置起偏器偏振方向与偏振分光棱镜透射方向重合，则高斯光束第一次透射偏振分光棱镜时无反射发生，偏振态为线偏振的高斯光束全部透过。
该光束经螺旋相位板透过四分之一波片后偏振态变为圆偏振，经过反射镜反射后保持圆偏振态但偏振方向相反，则该光束再次通过四分之一波片后偏振态由圆偏振变为线偏振，但是与第一次经过四分之一波片时的偏振方向垂直。
所以当该光束反向经过偏振分光棱镜时该光束由之前的全部透射变为全部反射，经反射镜后并不改变偏振方向，循原光路经偏振分光棱镜反射后进行第三、四次的涡旋光加倍。
本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：
(1)光路简洁，对于光路的搭建没有过高的精度要求。
(2)成本低廉，使用本方法可以重复利用同一块螺旋相位板进行拓扑荷数加倍。
(3)转化效率高，该装置对偏振态的控制极大的提高了制备涡旋光的转化效率。
(4)有效弥补了矩阵螺旋相位板一旦制成，只能产生特定拓扑荷数的涡旋光的不足，为螺旋相位板的灵活使用提供了一种可靠方法。
附图说明
图1为基于螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置示意图；
图2为4重加倍后拓扑荷数为4、8、12、16的涡旋光仿真光强分布图；
图3为拓扑荷数分别为1、2、3、4的涡旋光在4重加倍中的相对强度随传播距离模拟曲线图；
图4为拓扑荷数分别为1、2、3、4的涡旋光在4重加倍中的光束半径随传播距离模拟曲线图；
图5为4重加倍后拓扑荷数为4、8、12、16的涡旋光强度分布图；
图6为4重加倍后拓扑荷数为4、8、12、16的涡旋光与平面波干涉图；
图7为拓扑荷数为-8和-16的涡旋光干涉示意图。
具体实施方案
本发明的实施对象为螺旋相位板，装置示意图如图1所示，具体实施步骤如下：
首先，由激光器1产生波长为632.8nm的高斯光束，通过双透镜***即第一凸透镜2、第二凸透镜3对光束进行准直，同时将光斑半径放大，使其在通过螺旋相位板时尽可能获取相位信息。
而后，使用起偏器4起偏，由于偏振分光棱镜透射P-偏振光，反射S-偏振光，所以需要调整偏振片角度使经过起偏器4、消偏振分光棱镜5的光束完全透射偏振光分光棱镜6。
线偏振的高斯光束透射螺旋相位板7后获得螺旋相位因子exp(ilθ)，此时拓扑荷数为l。经设置为45°的四分之一波片8将偏振态由线偏振改为圆偏振态，光束经第一反射镜9后，改变圆偏振方向，这样在光束反向透射四分之一波片8后偏振态变为线偏振，且正交于入射时的线偏振方向，同时该涡旋光拓扑荷数变为-l。
之后，该光束反向透射螺旋相位板7后获得螺旋相位因子exp(-ilθ)，此时拓扑荷数为-2l。由于此时偏振方向与入射时正交，所以涡旋光经偏振光分光棱镜6时将全反射入第二反射镜11。
第二反射镜11不改变涡旋光偏振方向，反射后依照原光路第三次透射螺旋相位板7，拓扑荷数增加到3l，经四分之一波片8和第一反射镜9后恢复最初的偏振方向，最后反向透射螺旋相位板7时拓扑荷数变为-4l，经偏振光分光棱镜6反向透射进入消偏振分光棱镜5待CCD进行观察。
通过对该装置建立仿真模型，对拓扑荷数为1～4的螺旋相位板4重加倍进行了仿真，设定传输距离为2m，图2(a)-(d)为4重加倍后，拓扑荷数为4、8、12、16的涡旋光强度仿真分布。从中可以得出在相同传播距离下，制备的涡旋光拓扑荷数越大其强度分布越分散，相对强度越低，中空暗核半径越大。
假设在传播过程中，在该截面内涡旋光强度的最大值为该光束强度值，涡旋光强度最大值所在圆环为此时的涡旋光半径。设定传输距离0.1～2m，加倍涡旋光初始拓扑荷数分别为1、2、3、4，我们模拟了这四束涡旋光在4重加倍过程中相对强度随传播距离的变化曲线，如图3所示。仿真结果表明，初始的拓扑荷数越小，其相对强度下降的速率越慢。另外，4束涡旋光在加倍过程中其相对强度变化速率并未因透射螺旋相位板而发生突变，保持了较为平滑的趋势。光束半径随传播距离的变化曲线如图4所示。仿真结果表明，初始的拓扑荷数越大，其光束半径的发散速度就越大。同样的，4束涡旋光在加倍过程中其光束半径变化速率并未因透射螺旋相位板而发生突变，保持了较为平滑的趋势。
使用涡旋光拓扑荷数4重加倍装置，在拓扑荷数为1～4的螺旋相位板上进行了加倍实验，制备的涡旋光强度分布如图5(a)-(d)所示，随着拓扑荷数的增加，涡旋光相对强度、半径随之下降，实验与仿真结构基本一致。相应的与平面波干涉图样如图6(a)-(d)所示，根据叉形干涉图样可知，制备的涡旋光拓扑荷数分别为4、8、12、16。
由图5(a)-(d)得出，低阶SPP的加倍光束质量较好，但从图6(d)中明显可见除了参考光和拓扑荷数为16的涡旋光外，还有其他成分参与了干涉，使得在叉形干涉条纹的基础上同时出现了干涉条纹数为8的环状干涉条纹，影响了加倍质量。
其中主要存在三方面因素。其一，由于第一次反向穿过SPP到达PBS时，PBS不能严格意义上做到完全反射，所以有一部分拓扑荷数为-8的涡旋光透射了PBS，与拓扑荷数为-16的涡旋光形成了干涉条纹数为8的环形干涉图样。如图7所示。
其次，此处选用的参考光并非严格意义上的平面波，而是高斯光束，非光腰处的高斯光束由于波面存在曲率也使得在与拓扑荷数为-8的涡旋光干涉时产生了环形干涉条纹。最后，在继续进行拓扑荷数为-16的涡旋光的加倍过程中，不仅拓扑荷数的成倍增加使得其强度分布更为分散，而且由于传输过程中的一定损失，使得拓扑荷数为-8的涡旋光成分不能忽略，造成了拓扑荷数为-8的涡旋光与参考高斯光进行干涉的环形干涉图样较为明显。
本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (1)
1.一种基于螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置，它包括激光器(1)、第一凸透镜(2)、第二凸透镜(3)、起偏器(4)、消偏振分光棱镜(5)、偏振分光棱镜(6)、螺旋相位板(7)、四分之一波片(8)、第一反射镜(9)、CCD(10)、第二反射镜(11)，其特征在于：激光器(1)产生波长为632.8nm的高斯光束，通过第一凸透镜(2)、第二凸透镜(3)对光束进行准直；而后经过起偏器(4)、消偏振分光棱镜(5)的光束完全透射偏振分光棱镜(6)；线偏振的高斯光束透射螺旋相位板(7)后获得螺旋相位因子，此时拓扑荷数为l；经设置为45°的四分之一波片(8)将偏振态由线偏振改为圆偏振态，光束经第一反射镜(9)后，改变圆偏振方向，这样在光束反向透射四分之一波片(8)后偏振态变为线偏振，且正交于入射时的线偏振方向，同时该涡旋光拓扑荷数变为-l；之后，该光束反向透射螺旋相位板(7)，拓扑荷数为-2l，由于此时偏振方向与入射时正交，所以涡旋光经偏振分光棱镜(6)时将全反射入第二反射镜(11)；反射后依照原光路第三次透射螺旋相位板(7)，拓扑荷数增加到3l，经四分之一波片(8)和第一反射镜(9)后恢复最初的偏振方向，最后反向透射螺旋相位板(7)时拓扑荷数变为-4l，经偏振分光棱镜(6)反向透射进入消偏振分光棱镜(5)待CCD进行观察。
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