CN110501817B - 产生时空涡旋光场的方法及时空涡旋光场的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种产生时空涡旋光场的方法及时空涡旋光场的检测方法，通过在空间频率‑频率面，对啁啾飞秒激光脉冲施加涡旋相位，从而在时间‑空间面产生涡旋光场。再通过参考超快脉冲会与被测量的时空涡旋光场进行干涉，测量和记录干涉条纹的强度分布，最后通过在时间维度上的几百个切片形成的干涉条纹，重建时空涡旋光场的相位分布信息和空涡旋光场的三维强度分布信息。不需要利用复杂的非线性效应，即可方便的产生具有可控纯横向光学轨道角动量的时空涡旋光场，光能在空间和时间维度上流动，具有新颖独特的应用前景；本发明方法也可推广到其它光谱范围甚至其它具有波动特性的物理场，为在更广范围内研究具有时空涡旋的物理场提供了开创性的方法。

Description

产生时空涡旋光场的方法及时空涡旋光场的检测方法
技术领域
本发明涉及一种光学技术，特别涉及一种产生时空涡旋光场的方法及时空涡旋光场的检测方法。
背景技术
众所周知，光具有沿传播方向的线性动量。此外，光也具有角动量。光的角动量包括与圆偏振相关的自旋角动量和与涡旋相位相关的轨道角动量。光的自旋角动量一般是纵向的。光的纵向自旋角动量对应左旋圆偏振和右旋圆偏振两个状态。近年来，光的横向自旋角动量开始被发现，例如紧聚焦的光束以及波导的倏逝波。横向自旋角动量的独特性质被逐渐应用于自旋轨道角动量耦合、量子光学通信以及光镊等新方向。
另一方面，光学轨道角动量与光学自旋角动量的性质截然不同。光学轨道角动量通常是在光束的横截面施加螺旋相位而产生，该螺旋相位旋转一周的相位变化量一般是2的整数倍，这个整数被称为拓扑荷。螺旋相位的旋转方向对应拓扑荷的正负号。螺旋相位的中心是一个相位奇点，强度为0，因此光束横截面的光强分布为环形，这样的具有涡旋相位的光场的Poynting矢量具有横向分量，横截面上不同位置的Poynting矢量的横向分量环绕相位奇点。与光学自旋角动量只有两个态不同，光学轨道角动量的态的数目是无穷的，因为拓扑荷可以取任意的整数。光学轨道角动量可应用于光镊、超分辨率显微镜以及高速光通信。
上述光学轨道角动量的方向是纵向的，而横向光学轨道角动量的研究还非常稀少。有限的理论工作表明，横向光学轨道角动量可能以时空涡旋光场的形式存在。在极高功率脉冲激光和空气的非线性相互作用中，一小部分能量在子午平面内循环流动，形成具有横向光学轨道角动量的的时空涡旋光场。上述实验需要复杂的非线性相互作用，而且只有一小部分能量具有横向光学轨道角动量，不适合实际应用。
发明内容
本发明是针对时空涡旋光场的应用问题，提出了一种产生时空涡旋光场的方法及时空涡旋光场的检测方法，利用锁模啁啾脉冲和液晶光调制器，进行时空傅里叶变换，产生时空涡旋光场。
本发明的技术方案为：一种产生时空涡旋光场的方法，通过在空间频率-频率面，对飞秒激光器发出的啁啾脉冲施加涡旋相位，从而在时间-空间面产生涡旋光场。
所述在空间频率-频率面，对啁啾脉冲施加涡旋相位具体方法：首先，飞秒激光器发出的啁啾脉冲先后经过衍射光栅和柱透镜进行时间-频率域的傅里叶变换，再入射到液晶光调制器在空间频率-频率面施加涡旋相位。
所述液晶光调制器的涡旋相位可控，可取任意的拓扑荷，并且相位奇点的位置也可选择。
所述啁啾脉冲为锁模飞秒激光器产生的脉宽为3ps的啁啾脉冲。
所述啁啾脉冲先后经过衍射光栅和柱透镜进行时间-频率域的傅里叶变换，再入射到液晶光调制器在空间频率-频率面施加涡旋相位，最后在自由空间的传播完成空间-空间频率的傅里叶变换，自由空间传播距离大于瑞利距离，完成时空两个维度的傅里叶变换，产生时空涡旋光场。
所述方法产生的时空涡旋光场的检测方法，锁模飞秒激光器产生的啁啾脉冲通过分光镜和一组光栅对进行脉宽压缩，形成90fs的参考超快脉冲，用于时空涡旋光场的三维强度分布测量；通过电控位移台控制光栅对的位置，使得参考超快脉冲与被测量的时空涡旋光场进行干涉，并用相机测量和记录干涉条纹的强度分布；利用参考超快脉冲与时空涡旋光场在时间维度上的几百个切片形成的干涉条纹，重建时空涡旋光场的相位分布信息，也可以用来重建时空涡旋光场的三维强度分布信息。
本发明的有益效果在于：本发明产生时空涡旋光场的方法及时空涡旋光场的检测方法，不需要利用复杂的非线性效应，即可方便的产生具有可控纯横向光学轨道角动量的时空涡旋光场，光能在空间和时间维度上流动，具有新颖独特的应用前景；这种产生时空涡旋光场的方法也可推广到其它光谱范围甚至是其它具有波动特性的物理场，为在更广范围内研究具有时空涡旋的物理场提供了开创性的方法。
附图说明
图1为本发明产生时空涡旋光场的方法的原理示意图；
图2为本发明测量时空涡旋光场相位分布和三维强度分布的原理示意图；
图3为本发明提供的时空涡旋光场三维强度分布的重建图；
图4为本发明提供的时空涡旋光场在时间-空间面内的二维相位分布的重建图。
具体实施方式
一种产生时空涡旋光场的方法，通过在空间频率-频率面，对啁啾飞秒激光脉冲施加涡旋相位，从而在时间-空间面产生涡旋光场。再通过参考超快脉冲会与被测量的时空涡旋光场进行干涉，测量和记录干涉条纹的强度分布，最后通过在时间维度上的几百个切片形成的干涉条纹，重建时空涡旋光场的相位分布信息和空涡旋光场的三维强度分布信息。
如图1所示一种利用锁模啁啾脉冲1和液晶光调制器4，进行时空傅里叶变换，产生时空涡旋光场6的方法。锁模啁啾脉冲1通过衍射光栅2和柱透镜3进行时间-频率域的傅里叶变换，液晶光调制器4在空间频率-频率面施加涡旋相位。
作为优选方案，液晶光调制器4具有4K分辨率，可施加拓扑荷为正或为负的涡旋相位。涡旋相位的奇点位于液晶光调制器4上光斑的居中位置。衍射光栅2与柱透镜3的距离为柱透镜3的焦距。液晶光调制器4与柱透镜3的距离为柱透镜3的焦距。
作为优选方案，入射的啁啾脉冲1的脉宽较宽(3ps)，以便在液晶光调制器4上覆盖较大的面积，从而在空间频率-频率面施加精确的涡旋相位控制。
作为优选方案，空间频率-频率面施加涡旋相位后，光波包经过柱透镜3和衍射光栅2进行时间域上的傅里叶变换。与此同时，光波包在自由空间传播大于较长的距离(大于瑞利距离)以完成在一个空间维度上的傅里叶变换。
结合图1至图4所示，本实施例提供的一种利用锁模啁啾脉冲1和液晶光调制器4，进行时空傅里叶变换，产生时空涡旋光场6的方法。锁模啁啾脉冲1通过衍射光栅2和柱透镜3进行时间-频率域的傅里叶变换，液晶光调制器4在空间频率-频率面施加涡旋相位。液晶光调制器4上的光场可以用gR(r)来表示。空间频率-频率面施加涡旋相位后，光波包经过柱透镜3和衍射光栅2进行时间域上的傅里叶变换。与此同时，光波包在自由空间传播大于较长的距离(大于瑞利距离)以完成在一个空间维度上的傅里叶变换。时空两个维度的傅里叶变换可以通过下式来表示：
Figure BDA0002192415330000041
其中，(r，θ)是空间频率-频率面极坐标；
Figure BDA0002192415330000042
表示傅里叶变换；
Figure BDA0002192415330000043
其中Jm是第一类贝塞尔函数；m是贝塞尔函数的阶数，也是时空涡旋的拓扑荷；(ρ,φ)是时间-空间面极坐标。可以看到，空间频率-频率面施加的涡旋相位在经过二维时空傅里叶变换后，在时间-空间面内仍然存在，也就是生成了时空涡旋光场6。
如图2所示在本实施例中，包括入射锁模啁啾脉冲1、衍射光栅2、柱透镜3、液晶光调制器4、反射镜5、生成的时空涡旋光场6、锁模激光器7、分束镜8、分束镜9、反射镜10、光栅对11、电控位移的反射镜12、相机13。锁模激光器7产生的一部分啁啾脉冲会通过分光镜8和一组光栅对11进行脉宽压缩，形成90fs的参考超快脉冲，用于时空涡旋光场6的三维强度分布测量。通过电控位移台12的控制光栅对11的位置，参考超快脉冲会与被测量的时空涡旋光场6进行干涉，并用相机13测量和记录干涉条纹的强度分布。
参考超快脉冲与时空涡旋光场6在时间维度上的几百个切片形成的干涉条纹，不仅可以用来重建时空涡旋光场的相位分布信息，也可以用来重建时空涡旋光场的三维强度分布信息，如图3所示。重建的三维强度分布图和二维相位分布图(如图4所示)显示，涡旋光场在时空面存在强度为0的相位奇点，证明了生成的光波包具有时空涡旋光场特性。
本实施例中，时空涡旋光场6具有可控纯横向光学轨道角动量，光能在空间和时间维度上流动，具有新颖独特的应用前景；这种产生时空涡旋光场的方法也可推广到其它光谱范围甚至是其它具有波动特性的物理场，为在更广范围内研究具有时空涡旋的物理场提供了开创性的方法。
另外，本发明具有原理可靠和便于实现等优点，具有突出的实质性特点和明显的进步性，可广泛应用于光学领域。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种产生时空涡旋光场的方法，通过在空间频率-频率面，对飞秒激光器发出的啁啾脉冲施加涡旋相位，从而在时间-空间面产生涡旋光场；
所述在空间频率-频率面，对啁啾脉冲施加涡旋相位具体方法：首先，飞秒激光器发出的啁啾脉冲先后经过衍射光栅和柱透镜进行时间-频率域的傅里叶变换，再入射到液晶光调制器在空间频率-频率面施加涡旋相位。
2.根据权利要求1所述产生时空涡旋光场的方法，其特征在于，所述液晶光调制器的涡旋相位可控，可取任意的拓扑荷，并且相位奇点的位置也可选择。
3.根据权利要求1所述产生时空涡旋光场的方法，其特征在于，所述啁啾脉冲为锁模飞秒激光器产生的脉宽为3ps的啁啾脉冲。
4.根据权利要求3所述产生时空涡旋光场的方法，其特征在于，所述啁啾脉冲先后经过衍射光栅和柱透镜进行时间-频率域的傅里叶变换，再入射到液晶光调制器在空间频率-频率面施加涡旋相位，空间频率-频率面施加涡旋相位后，光波包经过柱透镜和衍射光栅进行时间域上的傅里叶变换，光波包在自由空间传播大于瑞利距离完成在一个空间维度上的傅里叶变换；空间频率-频率面施加的涡旋相位在经过二维时空傅里叶变换后，在时间-空间面内仍然存在，也就是生成了时空涡旋光场。
5.根据权利要求4所述方法产生的时空涡旋光场的检测方法，其特征在于，锁模飞秒激光器产生的啁啾脉冲通过分光镜和一组光栅对进行脉宽压缩，形成90fs的参考超快脉冲，用于时空涡旋光场的三维强度分布测量；通过电控位移台控制光栅对的位置，使得参考超快脉冲与被测量的时空涡旋光场进行干涉，并用相机测量和记录干涉条纹的强度分布；利用参考超快脉冲与时空涡旋光场在时间维度上的几百个切片形成的干涉条纹，重建时空涡旋光场的相位分布信息，也可以用来重建时空涡旋光场的三维强度分布信息。
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