[發明專利]一種完美拉蓋爾-高斯光束的產生方法及其裝置

在審

• 申請號: 201410144674.9
• 申請日: 2014-04-11
• 公開（公告）號: CN103941405A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 趙承良;董元;趙陳晨;蔡陽健
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

技術領域

本發明涉及光學領域，特別涉及一種完美拉蓋爾-高斯光束（Elegant?Laguerre-Gaussian?beams）的產生方法及其裝置，所產生的光束可應用于粒子捕獲、自由空間光通信、光束傳輸特性研究等領域。

背景技術

拉蓋爾-高斯光束具有螺旋相位結構，在數學表達式上，具體表現為其相位因子具有與旋轉方位角????????????????????????????????????????????????成正比的一項，其中i是虛數單位（即-1的開根），m通常為整數，也稱為拓撲荷數，它對應著一個光學波長內相位旋轉的圈數。光束圍繞相位奇點呈現出螺旋型波前特性，理論分析和實驗驗證表明，這類光束中的每個光子都具有確定的軌道角動量（，為普朗克常量，是圓周率）。其特殊的位相結構使其中心光強由于干涉相消而為零，從而使得光強中心呈現為空心狀態。

在柱坐標系下，拉蓋爾-高斯光束在光源面上的電場分布為：

其中，和分別為徑向坐標和角向坐標，i是虛數單位，z為傳輸距離，為基模高斯光束（時）的束腰尺寸，表示模階為m和p的拉蓋爾多項式，m為拓撲荷數，p為特征量子數，q為系數。當時，表示標準拉蓋爾-高斯光束的電場分布；而當時，表示完美拉蓋爾-高斯光束的電場分布。

完美拉蓋爾-高斯光束由Siegman提出，不同于標準拉蓋爾-高斯光束的是，完美拉蓋爾-高斯光束包含帶有復自變量的多項式，而后者包含的多項式中自變量是實數。在光學領域，自從完美拉蓋爾-高斯光束被提出以來，它以其重要的性質引起了人們的廣泛關注，它獨特的相位結構和軌道角動量特性，在微粒旋轉操縱和自由空間光通信方面有著非常重要的作用。在光捕獲方面，拉蓋爾-高斯光束基于其具有軌道角動量的力學特性，可以作為“光學扳手”應用于微粒操控，C.?Zhao等提出可以通過改變部分相干完美拉蓋爾-高斯光束的相干性，捕獲折射率大于或小于周圍介質的瑞利粒子。在光通信領域，J.?Qu等在理論上研究了完美拉蓋爾-高斯光束在湍流大氣中的傳輸特性，發現高階模的完美拉蓋爾-高斯光束受到湍流大氣的影響會減小，并且在相同的條件下，標準拉蓋爾-高斯光束要比完美拉蓋爾-高斯光束發散的更快，結論有助于對長距離自由空間光通信的研究。

對于完美拉蓋爾-高斯光束的產生理論，M.?A.?Bandres等利用Shin和Felsen提出的方法，引入高階復雜源，產生徑向模式數n和角向模式數m的完美拉蓋爾-高斯波，得到完美拉蓋爾-高斯波的積分和微分表達式，并從積分表達式確定了完美拉蓋爾-高斯光束的傍軸近似和前三階的非傍軸修正。然而，完美拉蓋爾-高斯光束不能表示穩定的球面鏡光學諧振腔模式，對于它的研究基本上都是理論上的，實驗產生完美拉蓋爾-高斯光束的研究目前未見報道。

發明內容

本發明所要解決的問題是克服現有技術存在的空白，提供一種原理簡單，容易實現，且具有實際應用價值的完美拉蓋爾-高斯光束的產生方法，及結構簡單、制造成本低的完美拉蓋爾-高斯光束的產生裝置。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是提供一種產生完美拉蓋爾-高斯光束的方法，包括如下步驟：?

1、對高斯光束進行擴束后，再經加載計算全息片的空間光調制器進行光場調控，截取由空間光調制器出射的第一級衍射光束，得到空心高斯光束；

2、將空心高斯光束經螺旋相位板進行相位調制，得到攜帶軌道角動量的空心光束；

3、將攜帶軌道角動量的空心光束經凸透鏡聚焦，得到完美拉蓋爾-高斯光束。

本發明技術方案還包括一種產生完美拉蓋爾-高斯光束的裝置，其結構為：功率可調的半導體泵浦固體激光器發出的高斯光束，依次經光束強度調節衰減片和擴束器后，再通過空間光調制器，對擴束后的高斯光束進行光場調控，所述的空間光調制器的液晶顯示屏上，由計算機通過軟件加載用于進行光場調控的計算全息片；調控后的光束通過圓孔光闌，再經過螺旋相位板和聚焦凸透鏡，輸出完美拉蓋爾-高斯光束。

本發明所述的空間光調制器為透射式空間光調制器；所述的光束強度調節衰減片為圓形漸變密度濾光片；所述的擴束器為兩塊凸透鏡。本發明提供的產生完美拉蓋爾-高斯光束的裝置，在光束強度調節器和擴束器之間，設置平面反射鏡，可改變光束的傳播方向。