本實(shí)用新型屬于光束調(diào)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光學(xué)旋渦是一類具有螺線形相位分布的光束，其表達(dá)式中帶有相位因子，光束中的每個(gè)光子攜帶的軌道角動(dòng)量，其中l(wèi)稱為拓?fù)浜蓴?shù)，為約化普朗克常數(shù)。在傳輸過程中，光束中心因相位不確定或發(fā)生突變而產(chǎn)生奇點(diǎn)，在奇點(diǎn)處的光強(qiáng)為零、無加熱效應(yīng)、無衍射效應(yīng)。由于光學(xué)旋渦和光學(xué)渦旋的特征及其復(fù)雜性和多樣性，還有它們所具有的應(yīng)用潛力，受到了人們極大地關(guān)注?；诠鈱W(xué)旋渦的研究課題具備基礎(chǔ)性和前瞻性，該研究課題對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)具有深刻的影響，所以對(duì)光學(xué)旋渦及其特性的研究具有十分重要的科學(xué)意義，值得人們對(duì)其進(jìn)行更為廣泛和深入的研究。

光學(xué)旋渦因其在光學(xué)角動(dòng)量和動(dòng)力學(xué)行為方面的特殊性，得到了廣泛而實(shí)際的應(yīng)用。光學(xué)旋渦不僅可用于增大激光腔的模體積，光的光導(dǎo)，頻率移動(dòng)，角動(dòng)量的改變，還可以作為在自聚焦介質(zhì)中的暗孤子。光學(xué)旋渦所擁有的軌道角動(dòng)量更可用于自由空間光通信的信息解碼。此外，光學(xué)旋渦最為突出的還是其在光學(xué)微操控領(lǐng)域中的應(yīng)用，如對(duì)微粒和原子的光陷，捕獲和引導(dǎo)粒子，旋轉(zhuǎn)吸收的粒子等。

目前用于產(chǎn)生光學(xué)旋渦的方法有很多種，螺旋位相片是產(chǎn)生螺旋波前最顯而易見的方法，平面波通過位相片能生成具有軌道角動(dòng)量為lh的光學(xué)旋渦。雖然螺旋位相片的概念簡(jiǎn)單，但它要求在光學(xué)波段內(nèi)加工納米量級(jí)的超精確螺旋面，因此，其他一些產(chǎn)生螺旋波前的方式也被相繼提出，如利用柱面鏡的模式轉(zhuǎn)換器和計(jì)算全息圖等。由于折射型光學(xué)器件越來越復(fù)雜，衍射光學(xué)元件成為產(chǎn)生光學(xué)旋渦的另一種選擇。叉形光柵能在一級(jí)衍射方向上產(chǎn)生光學(xué)旋渦，這種衍射光學(xué)元件實(shí)際上是所需光學(xué)元件的全息圖，或稱為計(jì)算全息圖。產(chǎn)生螺旋光束的全息圖為叉形光柵或螺旋菲涅爾鏡，這種技術(shù)在商用SLM(Spatial Light Modulator，空間光調(diào)制器)上被廣泛實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)全息圖加工技術(shù)相比，SLM能通過動(dòng)態(tài)調(diào)制簡(jiǎn)單快捷地產(chǎn)生全息圖。除此之外，還有一些其他的方法，如非均勻各項(xiàng)異性元件、亞波長(zhǎng)介電光柵及金屬納米天線等。

然而，上述光學(xué)旋渦的產(chǎn)生方式面臨幾個(gè)共同問題：一是轉(zhuǎn)換效率低，產(chǎn)生光學(xué)旋渦的能量利用率不超過50％；二是基于器件調(diào)節(jié)的方法靈活性不夠高，通常難以實(shí)現(xiàn)不同拓?fù)浜晒鈱W(xué)旋渦之間的轉(zhuǎn)換；三是由于脈沖激光的一個(gè)重要特性是脈沖的高時(shí)間分辨，用以上方式調(diào)制飛秒激光的過程中，由于產(chǎn)生過程中要反復(fù)經(jīng)過多重光學(xué)器件，因而造成光束頻譜展寬等色散問題，從而嚴(yán)重影響飛秒激光脈沖的峰值及時(shí)間分辨特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有光學(xué)旋渦的產(chǎn)生方式中轉(zhuǎn)換效率低、造成光束頻譜展寬的色散的問題。

本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)，包括：

激發(fā)光源單元，用于產(chǎn)生激光光束；

偏振調(diào)制單元，用于將所述激光光束調(diào)制成圓偏振激光束；

光學(xué)調(diào)制單元，包括若干調(diào)制組，每一所述調(diào)制組包括渦旋波片和半波片，用于將所述圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦。

進(jìn)一步地，所述偏振調(diào)制單元包括第一偏振片和四分之一波片，所述四分之一波片的長(zhǎng)軸方向和所述第一偏振片的偏振方向的夾角為π/4。

進(jìn)一步地，所述產(chǎn)生系統(tǒng)還包括分光單元、光路補(bǔ)償單元、反射單元、偏振單元和合束單元；

所述分光單元，用于將所述激發(fā)光源單元產(chǎn)生的激光光束分成調(diào)制光束和檢測(cè)光束；

所述反射單元，用于調(diào)整所述調(diào)制光束的路徑，以使所述調(diào)制光束按照預(yù)置路徑入射至所述偏振調(diào)制單元；

所述偏振調(diào)制單元，用于將所述調(diào)制光束調(diào)制成圓偏振激光束；

所述光學(xué)調(diào)制單元，用于將所述圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦入射至所述偏振單元；

所述偏振單元，用于將所述光學(xué)旋渦進(jìn)行偏振調(diào)制后入射至所述合束單元；

所述光路補(bǔ)償單元，用于對(duì)所述檢測(cè)光束進(jìn)行光程補(bǔ)償，以使進(jìn)行光程補(bǔ)償后的所述檢測(cè)光束與所述光學(xué)旋渦同步入射至所述合束單元；

所述合束單元，用于將進(jìn)行光程補(bǔ)償后的所述檢測(cè)光束和所述光學(xué)旋渦進(jìn)行合束，得到合束光束。

進(jìn)一步地，所述光路補(bǔ)償單元包括第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡和第二偏振片；

所述檢測(cè)光束依次經(jīng)所述第一反射鏡、所述第二反射鏡、所述第三反射鏡和所述第四反射鏡進(jìn)行光路調(diào)整后，入射至所述第二偏振片；

經(jīng)過光路調(diào)整的所述檢測(cè)光束經(jīng)所述第二偏振片進(jìn)行偏振調(diào)制后，入射至所述合束單元。

進(jìn)一步地，所述渦旋波片的快軸方向沿渦旋波片圓周連續(xù)旋轉(zhuǎn)，所述快軸方向繞圓周的變化角度為π。

進(jìn)一步地，所述渦旋波片的光軸與所述圓偏振激光束的光軸重合。

進(jìn)一步地，所述渦旋波片為液晶半波片。

進(jìn)一步地，當(dāng)需要產(chǎn)生位相沿順時(shí)針變化的光學(xué)旋渦時(shí)，保留所述光學(xué)調(diào)制單元中最后一組調(diào)制組的半波片。

進(jìn)一步地，當(dāng)需要產(chǎn)生位相沿逆時(shí)針變化的飛秒柱矢量光束時(shí)，去除所述光學(xué)調(diào)制單元中最后一組調(diào)制組的半波片。

進(jìn)一步地，所述分光單元為偏振不敏感器件。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本實(shí)用新型實(shí)施例通過將激發(fā)光源單元產(chǎn)生的激光光束調(diào)制成圓偏振激光束，并通過光學(xué)調(diào)制單元將圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦。本實(shí)用新型實(shí)施例可將激光光束調(diào)制成圓偏振激光束，并將圓偏振激光束靈活地調(diào)制成任意拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦，轉(zhuǎn)換效率高，同時(shí)解決了現(xiàn)有產(chǎn)生方式在脈沖光學(xué)渦旋產(chǎn)生過程中帶來的頻譜展寬等色散的問題。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型第一實(shí)施例提供的一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型第一實(shí)施例提供的一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型第二實(shí)施例提供的一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型第二實(shí)施例提供的一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5a是渦旋波片的快軸方向的示意圖；

圖5b是半波片的快軸方向的示意圖；

圖6a是拓?fù)浜蔀?的光學(xué)旋渦的相位分布示意圖；

圖6b是拓?fù)浜蔀?的光學(xué)旋渦的相位分布示意圖；

圖7a是拓?fù)浜蔀?的線偏光學(xué)旋渦與線偏光干涉產(chǎn)生的叉形光柵條紋；

圖7b是拓?fù)浜蔀?的線偏光學(xué)旋渦與線偏光干涉產(chǎn)生的叉形光柵條紋。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

本實(shí)用新型實(shí)施例所涉及的原理如下：

圓偏振激光束的瓊斯矩陣可表示為：

and

順時(shí)針變化的渦旋波片的瓊斯矩陣M₁表示為：

以右旋圓偏振激光束為例，經(jīng)過包括渦旋波片和半波片的調(diào)制組后產(chǎn)生的光束的瓊斯矩陣可表示為：

即，產(chǎn)生位相面沿逆時(shí)針方向變化的拓?fù)浜蔀?1光學(xué)旋渦。在上述調(diào)制組后插入半波片后的瓊斯矩陣可調(diào)制為：

此時(shí)，入射右旋圓偏振激光束被調(diào)制為：

即，產(chǎn)生位相面沿順時(shí)針方向變化的拓?fù)浜蔀?光學(xué)旋渦。

同樣地，要產(chǎn)生逆時(shí)針變化的拓?fù)浜蔀閘的光學(xué)旋渦(此處定義位相沿順時(shí)針變化的拓?fù)浜蔀檎啬鏁r(shí)針變化為負(fù))，需要調(diào)制組的瓊斯矩陣M表示為：

其中，l表示產(chǎn)生光學(xué)旋渦的拓?fù)浜?。為獲得位相面沿順時(shí)針方向變化的拓?fù)浜蔀閘光學(xué)旋渦，需要調(diào)制組的瓊斯矩陣M_l’表示為：

其中H₀表示快軸沿水平方向的半波片，瓊斯矩陣表示為：

為產(chǎn)生更高拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)渦旋，調(diào)制組的瓊斯矩陣之間存在如下關(guān)系：

M_l＝M_l-1H₀M₁ (9)

由以上公式可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于需要產(chǎn)生任意高拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦，可以通過底拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦結(jié)合調(diào)制組調(diào)制產(chǎn)生；另一方面，對(duì)于負(fù)數(shù)拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦可通過一個(gè)半波片調(diào)制對(duì)應(yīng)正數(shù)拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦產(chǎn)生。

基于上述原理，本實(shí)用新型實(shí)施例通過以渦旋波片和半波片組合的調(diào)制組來產(chǎn)生任意拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦。如圖1所示，一種光學(xué)渦旋的產(chǎn)生系統(tǒng)包括：

激發(fā)光源單元101，用于產(chǎn)生激光光束；

偏振調(diào)制單元102，用于將所述激光光束調(diào)制成圓偏振激光束；

光學(xué)調(diào)制單元103，用于將所述圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦。

具體地，如圖2所示，偏振調(diào)制單元102包括第一偏振片1021和四分之一波片1022，四分之一波片1022的長(zhǎng)軸方向和第一偏振片1021的偏振方向的夾角為π/4。激發(fā)光源單元101產(chǎn)生的激光光束通常情況下是類似于橢圓偏振的，因此需要偏振調(diào)制單元102將其調(diào)制成圓偏光。

光學(xué)調(diào)制單元103包括若干調(diào)制組1031，每一調(diào)制組1031包括渦旋波片和半波片；

調(diào)制組1031用于將入射的所述圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦。

本實(shí)用新型實(shí)施例中，先通過偏振調(diào)制單元102將激發(fā)光源單元101產(chǎn)生的激光光束調(diào)制為圓偏振激光束，然后該圓偏振激光束通過渦旋波片和半波片組成的調(diào)制組后，被調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)渦旋。在本實(shí)施例中，渦旋波片采用的是快軸方向沿波圓周連續(xù)旋轉(zhuǎn)的液晶半波片，該液晶半波片的激光透過率高達(dá)99％，通過調(diào)制組1031可將入射的圓偏振激光束高效率、高純度地調(diào)制為光學(xué)旋渦。

本實(shí)施例提供的光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)可用于產(chǎn)生任意拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦，還適用于脈沖激光領(lǐng)域。

如圖3所示，本實(shí)用新型提供的另外一種光學(xué)旋渦的產(chǎn)生系統(tǒng)，包括：

激發(fā)光源單元201，用于產(chǎn)生激光光束；

分光單元202，用于將激發(fā)光源單元201產(chǎn)生的激光光束分成調(diào)制光束和檢測(cè)光束；

反射單元203，用于調(diào)整所述調(diào)制光束的路徑，以使所述調(diào)制光束按照預(yù)置路徑入射至偏振調(diào)制單元204；

偏振調(diào)制單元204，用于將所述調(diào)制光束調(diào)制成圓偏振激光束。具體地，如圖4所示，偏振調(diào)制單元204包括第一偏振片2041和四分之一波片2042，四分之一波片2041的長(zhǎng)軸方向和第一偏振片2041的偏振方向的夾角為π/4。

光學(xué)調(diào)制單元205，用于將所述圓偏振激光束調(diào)制成預(yù)置拓?fù)浜傻墓鈱W(xué)旋渦入射至偏振單元206。具體地，光學(xué)調(diào)制單元205包括若干調(diào)制組2051，每一調(diào)制組2051包括渦旋波片和半波片，在實(shí)際應(yīng)用中，所有的調(diào)制組中的渦旋波片快軸的起始方向均一致。

偏振單元206，用于將所述光學(xué)旋渦進(jìn)行偏振后入射至合束單元207；

光路補(bǔ)償單元208，用于對(duì)所述檢測(cè)光束進(jìn)行光程補(bǔ)償，以使進(jìn)行光程補(bǔ)償后的所述檢測(cè)光束與所述光學(xué)旋渦同步入射至合束單元207。如圖4所示，光路補(bǔ)償單元208包括第一反光鏡2081、第二反光鏡2082、第三反光鏡2083、第四反光鏡2084和第二偏振片2085，檢測(cè)光束依次經(jīng)第一反射鏡2081、第二反射鏡2082、第三反射鏡2083和第四反射鏡2084進(jìn)行光路調(diào)整后，入射至第二偏振片2085，經(jīng)過光路調(diào)整的檢測(cè)光束經(jīng)第二偏振片2085進(jìn)行偏振調(diào)整后，入射至合束單元207.

合束單元207，用于將進(jìn)行光程補(bǔ)償后的所述檢測(cè)光束和所述光學(xué)旋渦進(jìn)行合束，得到合束光束。在本實(shí)施例中，為了檢測(cè)光學(xué)旋渦的拓?fù)浜桑鲜鴨卧?07將進(jìn)行光程補(bǔ)償后的檢測(cè)光束和光學(xué)旋渦進(jìn)行合束，然后射入外部的檢測(cè)系統(tǒng)。因?yàn)楣鈱W(xué)旋渦和檢測(cè)光束合束產(chǎn)生干涉后會(huì)產(chǎn)生叉形光柵，所產(chǎn)生的叉形光柵的叉數(shù)代表了光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蓴?shù)。合束單元207合束后得到的合束光束入射至外部檢測(cè)系統(tǒng)，外部檢測(cè)系統(tǒng)再將得到的叉形光柵的叉數(shù)與預(yù)期設(shè)計(jì)的拓?fù)浜蛇M(jìn)行比較，若兩者數(shù)值相同，則證明該光學(xué)旋渦為預(yù)期得到的光學(xué)旋渦，若不一致，則可以判斷該光學(xué)旋渦非預(yù)期得到的光學(xué)旋渦。

激光光源單元201用于產(chǎn)生激光光束，偏振調(diào)制單元204用于將入射的調(diào)制光束調(diào)制為圓偏振激光束。激發(fā)光源單元201采用激光器，該激光器可以是連續(xù)激光器，也可以是脈沖激光器，偏振調(diào)制單元204包括第一偏振片2041和四分之一波片2042。

在具體實(shí)現(xiàn)過程中，圓偏振激光束經(jīng)過光學(xué)調(diào)整單元205的第一組調(diào)制組后被調(diào)制成拓?fù)浜蔀?的光學(xué)旋渦，該拓?fù)浜蔀?的光學(xué)旋渦依此經(jīng)過(m-1)組調(diào)制組后，被調(diào)制成拓?fù)浜蔀閙的光學(xué)旋渦；在該拓?fù)浜蔀閙的光學(xué)旋渦產(chǎn)生的光路中去除最后一個(gè)半波片，即可調(diào)制為拓?fù)浜蔀?m的光學(xué)旋渦。

以右旋圓偏振激光束為例，右旋圓偏振激光束進(jìn)入光學(xué)調(diào)制單元205，經(jīng)不同數(shù)量的(l＝m)調(diào)制組后，調(diào)制為偏振方向與入射圓偏振激光束相反、拓?fù)浜蔀閙的光學(xué)旋渦；在去除最后一組調(diào)制組的半波片的情況下，調(diào)制產(chǎn)生為偏振與入射圓偏振光保持一致的拓?fù)浜蔀?m的光學(xué)旋渦。左旋圓偏振激光束調(diào)制結(jié)果與之相反；通過改變四分之一波片的角度(π/2)，可以實(shí)現(xiàn)左右旋圓偏振激光束的轉(zhuǎn)換。具體地，光學(xué)旋渦拓?fù)浜傻恼?fù)只跟最后一組調(diào)制組的最后一個(gè)半波片有關(guān)，保留最后一個(gè)調(diào)制組中的半波片，得到位相變化沿順時(shí)針變化的拓?fù)浜蔀閘的光學(xué)旋渦；去掉最后一組調(diào)制組的最后一個(gè)半波片，得到位相沿逆時(shí)針變化的拓?fù)浜蔀?l的光學(xué)旋渦。

本實(shí)施例中的光路補(bǔ)償單元208，用于對(duì)檢測(cè)光束進(jìn)行光程補(bǔ)充，進(jìn)行光程補(bǔ)償后的檢測(cè)光束將與產(chǎn)生的光學(xué)旋渦同步入射至合束單元207，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，光學(xué)旋渦與線偏振光干涉產(chǎn)生叉形光柵，所產(chǎn)生叉數(shù)代表了光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蛿?shù)，從而可以方便的對(duì)光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蛇M(jìn)行檢測(cè)。

本實(shí)施例中，各單元用到的器件如圖4所示，其中反射單元203采用反射鏡，光路補(bǔ)償單元208采用四片反射鏡和一片偏振片進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償，合束單元207為分光片，偏振單元206為偏振片，具體地，渦旋波片的快軸沿波片圓周旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，快軸方向的角度改變?chǔ)?，可用于調(diào)制光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蓴?shù)改變1。根據(jù)需要產(chǎn)生的光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蓴?shù)可確定出本實(shí)施例的基本光束調(diào)制結(jié)構(gòu)，即需要多少個(gè)調(diào)制組組成光學(xué)調(diào)制單元205。本實(shí)施例還可對(duì)光學(xué)旋渦的拓?fù)浜蛇M(jìn)行降階調(diào)制。例如：l(l＝m-n)階飛秒柱矢量光束可由拓?fù)浜蔀閙的光學(xué)旋渦依次經(jīng)n個(gè)渦旋波片調(diào)制產(chǎn)生。

需要注意的是，在調(diào)制過程中，各渦旋波片需要同軸調(diào)制，其中渦旋波片快軸的起始方向保持一致。還需注意的是，由于光學(xué)調(diào)制單元205中調(diào)制組的半波片是用于調(diào)制輸出光束的偏振方向，因此，當(dāng)需要產(chǎn)生偏振方向與入射圓偏振光一致的光學(xué)旋渦時(shí)，沿光路最后一個(gè)半波片應(yīng)當(dāng)去除；當(dāng)所需調(diào)制產(chǎn)生的光學(xué)旋渦的偏振方向與入射偏振相反時(shí)，沿光路最后一個(gè)半波片應(yīng)當(dāng)保留。

利用本實(shí)施例，只要通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)四分之一波片的方向變化π/2，就可以實(shí)現(xiàn)在不改變光學(xué)旋渦拓?fù)浜傻那疤嵯赂淖兿辔蛔兓姆较?。圖5a、5b分別是渦旋波片和半波片快軸方向分布示意圖。圖6a及6b分別是拓?fù)浜蔀?和3的光學(xué)旋渦相位分布示意圖。圖7a及7b分別為拓?fù)浜蔀?和3的線偏光學(xué)旋渦與線偏光干涉產(chǎn)生的叉形光柵條紋。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型提供的上述實(shí)施例通過快軸方向沿波片圓周連續(xù)變化的渦旋波片組合可由圓偏振激光束調(diào)制產(chǎn)生任意拓?fù)浜傻母咝?、高純度、高穩(wěn)定性的光學(xué)旋渦，實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的調(diào)制，該技術(shù)在加工、通信、光學(xué)操控、表面增強(qiáng)拉曼散射研究等前沿領(lǐng)域具有重大意義。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。