一種分?jǐn)?shù)階完美渦旋光束的產(chǎn)生裝置及產(chǎn)生方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及微粒光操縱和光學(xué)測(cè)試領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束的 產(chǎn)生裝置及產(chǎn)生方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 滿旋光束在光學(xué)誘捕、操縱微小粒子等方面有著廣泛的應(yīng)用。成為近年來(lái)信息光 學(xué)領(lǐng)域一個(gè)非常重要的研究熱點(diǎn)。2004年，M.V. Berry首次系統(tǒng)、全面的闡述了分?jǐn)?shù)階光學(xué) 滿旋的理論基礎(chǔ)【J化t a-Pure Appl Op, 2004, 62: 259】;隨后，分?jǐn)?shù)階滿旋光束得到了 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證【New JPhys，2004, 61: 71】。分?jǐn)?shù)階滿旋光束可攜帶更多信息量、且能提供更 精細(xì)化的微粒操作，成為滿旋光學(xué)領(lǐng)域眾多研究者競(jìng)相研究的熱點(diǎn)課題。
[0003] 目前產(chǎn)生滿旋光束的方法很多，主要有模式變換法、螺旋相位板法及基于空間光 調(diào)制器的計(jì)算全息法等。運(yùn)些方法產(chǎn)生的滿旋光束亮環(huán)半徑隨拓?fù)浜傻脑龃蠖黾?，運(yùn)種 特性使得滿旋光束很難大規(guī)模禪合到同一根光纖中。2013年，Amlrey S. Ostrovsky等人提 出了完美滿旋的概念，該滿旋光束亮環(huán)半徑不依賴于拓?fù)浜芍怠綩pt. Lett. 38，534 2013】，但該方法伴隨完美滿旋光束均會(huì)產(chǎn)生額外的雜散光環(huán)。2015年，Pravin Vaity等通 過(guò)對(duì)貝塞爾-高斯光束做傅里葉變換，從而獲得無(wú)額外光環(huán)的整數(shù)階完美滿旋【Opt. Lett.，40, 5972015】。最近，發(fā)明專利"產(chǎn)生完美滿旋陣列的二維編碼相位光柵"（公開(kāi)號(hào) 為104808272A，公開(kāi)日為2015.07.29)，介紹了一種產(chǎn)生完美滿旋的二維編碼相位光柵，通 過(guò)該二維編碼相位光柵的調(diào)制，在其傅立葉變換面上可W同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)攜帶不同拓?fù)浜傻?完美滿旋陣列。但是上述所有方案所產(chǎn)生的滿旋光束均為整數(shù)階完美滿旋，而如何產(chǎn)生分 數(shù)階完美滿旋光束是該領(lǐng)域面臨的一個(gè)亟待解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是為解決上述技術(shù)問(wèn)題的不足，提供一種分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束的產(chǎn)生 裝置及產(chǎn)生方法，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)可實(shí)時(shí)在線自由調(diào)控的分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是： 一種分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束產(chǎn)生裝置，包括一連續(xù)波激光器;所述連續(xù)波激光器發(fā)出光 束的前進(jìn)方向設(shè)有反射鏡，經(jīng)反射鏡反射后的光束前進(jìn)方向依次設(shè)有針孔濾波器、凸透鏡 I、起偏器和分束立方體;經(jīng)分束立方體后的光束分為兩束，其中一束為反射光，一束為透射 光;在反射光前進(jìn)方向上設(shè)有反射式空間光調(diào)制器，經(jīng)反射式空間光調(diào)制器反射后產(chǎn)生的 光束經(jīng)過(guò)經(jīng)分束立方體后，其前進(jìn)方向上依次設(shè)有檢偏器、小孔光闊、凸透鏡II和CCD相機(jī)； 所述的反射式空間光調(diào)制器、CCD相機(jī)分別與計(jì)算機(jī)連接;所述的針孔濾波器與凸透鏡 I間的距離為凸透鏡I的焦距;所述的反射式空間光調(diào)制器置于凸透鏡II的前焦平面上;所 述的CCD相機(jī)置于凸透鏡II的后焦平面上。
[0006] 利用所述分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束產(chǎn)生裝置產(chǎn)生分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束的方法，包括W 下步驟： 步驟一、利用計(jì)算機(jī)生成含有錐透鏡透過(guò)率函數(shù)和分?jǐn)?shù)階滿旋光束與平面波干設(shè)的光 強(qiáng)圖；具體過(guò)程如下： 平面波的電場(chǎng)表示為：
其中，Eo表示振幅強(qiáng)度，k表示波數(shù)，Z表示傳播距離； 垂直入射到錐透鏡上的滿旋光束的電場(chǎng)表示為：
其中，4為振幅常數(shù)，·%為束腰半徑，m為拓?fù)浜蓴?shù)，取分?jǐn)?shù);j為虛數(shù)單位； 錐透鏡的復(fù)振幅透過(guò)率函數(shù)為：
式中，η為錐透鏡材料折射率，a為錐透鏡的錐角，即錐透鏡錐面與底平面的夾角;k為波 數(shù)，R為錐透鏡光瞳半徑； 滿旋光束經(jīng)過(guò)錐透鏡后與平面波干設(shè)的復(fù)振幅分布為：
步驟二、結(jié)合計(jì)算全息技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)將復(fù)振幅El的光強(qiáng)圖寫入反射式空間光調(diào)制 器； 步驟Ξ、打開(kāi)連續(xù)波激光器電源，連續(xù)波激光器發(fā)出的光束被反射鏡反射后，進(jìn)入針孔 濾波器、然后經(jīng)凸透鏡I準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€偏振光，照射在分束立方體 上;經(jīng)分束立方體后的光束被分為兩束，一路為反射光，一路為透射光;所述的反射光束照 射在反射式空間光調(diào)制器上； 步驟四、照射在反射式空間光調(diào)制器上的光束用來(lái)衍射再現(xiàn)分?jǐn)?shù)階貝塞爾-高斯光束； 衍射再現(xiàn)的貝塞爾-高斯光束經(jīng)過(guò)分束立方體、檢偏器及小孔光闊后，照射在凸透鏡II上進(jìn) 行傅里葉變換生成分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束； 步驟五、所述的分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束在CCD相機(jī)中成像后，圖像進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)分 析； 步驟六、根據(jù)計(jì)算機(jī)分析結(jié)果，所產(chǎn)生的完美滿旋光束亮環(huán)半徑不隨分?jǐn)?shù)階拓?fù)浜芍祄的改變而改變;通過(guò)調(diào)節(jié)步驟一中錐透鏡材料折射率η或錐角a的數(shù)值，可W調(diào)節(jié)分?jǐn)?shù)階完 美滿旋光束亮環(huán)半徑。
[0007]有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束產(chǎn)生裝置裝置和方法能 夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)可實(shí)時(shí)在線自由調(diào)控的分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束;本發(fā)明裝置具有原理簡(jiǎn)潔、成本 低廉、參數(shù)可實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)、易于操作的優(yōu)點(diǎn);可廣泛應(yīng)用于微粒光操縱、光學(xué)測(cè)試等領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[000引圖1是本發(fā)明分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束產(chǎn)生裝置的裝置原理圖；圖中標(biāo)記：100、激光 器，110、反射鏡，120、針孔濾波器，130、凸透鏡I，131、凸透鏡II，141、起偏器，142、檢偏器， 150、分束立方體，200、反射式空間光調(diào)制器，21ο、小孔光闊，300、CCD相機(jī)，400、計(jì)算機(jī)； 圖2為計(jì)算機(jī)記錄的一組分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束強(qiáng)度圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]如圖所示，一種分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束產(chǎn)生裝置，包括一連續(xù)波激光器100;所述連 續(xù)波激光器100發(fā)出光束的前進(jìn)方向設(shè)有反射鏡110,經(jīng)反射鏡110反射后的光束前進(jìn)方向 依次設(shè)有針孔濾波器120、凸透鏡1130、起偏器141和分束立方體150;經(jīng)分束立方體150后的 光束分為兩束，其中一束為反射光，一束為透射光;在反射光前進(jìn)方向上設(shè)有反射式空間光 調(diào)制器200,經(jīng)反射式空間光調(diào)制器200反射后產(chǎn)生的光束經(jīng)過(guò)經(jīng)分束立方體150后，其前進(jìn) 方向上依次設(shè)有檢偏器142、小孔光闊210、凸透鏡II131和CCD相機(jī)300; 所述的反射式空間光調(diào)制器200XCD相機(jī)300分別與計(jì)算機(jī)400連接;所述的針孔濾波 器120與凸透鏡1130間的距離為凸透鏡1130的焦距;所述的反射式空間光調(diào)制器200置于凸 透鏡II131的前焦平面上;所述的CCD相機(jī)300置于凸透鏡II131的后焦平面上。
[0010] 利用所述分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束產(chǎn)生裝置產(chǎn)生分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束的方法，包括W 下步驟： 步驟一、利用計(jì)算機(jī)400生成含有錐透鏡透過(guò)率函數(shù)和分?jǐn)?shù)階滿旋光束與平面波干設(shè) 的光強(qiáng)圖；具體過(guò)程如下： 平面波的電場(chǎng)表示為：
其中，Eo表示振幅強(qiáng)度，k表示波數(shù)，Z表示傳播距離； 垂直入射到錐透鏡上的滿旋光束的電場(chǎng)表示為：
其中，為為振幅常數(shù)，為束腰半徑，m為拓?fù)浜蓴?shù)，取分?jǐn)?shù);j為虛數(shù)單位； 錐透鏡的復(fù)振幅透過(guò)率函數(shù)為：
式中，η為錐透鏡材料折射率，a為錐透鏡的錐角，即錐透鏡錐面與底平面的夾角;k為波 數(shù)，R為錐透鏡光瞳半徑； 滿旋光束經(jīng)過(guò)錐透鏡后與平面波干設(shè)的復(fù)振幅分布為：
步驟二、結(jié)合計(jì)算全息技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)400將復(fù)振幅El的光強(qiáng)圖寫入反射式空間光調(diào) 制器200; 步驟Ξ、打開(kāi)連續(xù)波激光器100電源，連續(xù)波激光器100發(fā)出的光束被反射鏡110反射 后，進(jìn)入針孔濾波器120、然后經(jīng)凸透鏡1130準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)起偏器141后變?yōu)榫€偏振 光，照射在分束立方體150上;經(jīng)分束立方體150后的光束被分為兩束，一路為反射光，一路 為透射光;所述的反射光束照射在反射式空間光調(diào)制器200上； 步驟四、照射在反射式空間光調(diào)制器200上的光束用來(lái)衍射再現(xiàn)分?jǐn)?shù)階貝塞爾-高斯光 束;衍射再現(xiàn)的貝塞爾-高斯光束經(jīng)過(guò)分束立方體150、檢偏器142和小孔光闊210后，照射在 凸透鏡II131上進(jìn)行傅里葉變換生成分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束； 步驟五、所述的分?jǐn)?shù)階完美滿旋光束在CCD相機(jī)中成像后，圖像進(jìn)入計(jì)算機(jī)400進(jìn)行后 續(xù)分析； 步驟六、根據(jù)計(jì)算機(jī)分析結(jié)果