[發明專利]一種基于高階交叉相位的多邊形完美渦旋光制備與操控方法

在審

• 申請號: 202110326216.7
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113064284A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 任元;丁友;王琛;劉通;陳琳琳;邱松;劉政良;李瑞健
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 鄭久興

本發明涉及一種基于高階交叉相位的多邊形完美渦旋光制備與操控方法。完美渦旋光是一種光束半徑與拓撲荷數無關的渦旋光場，交叉相位是一種特殊的光場相位結構，可將完美渦旋光調控為多邊形,3階及以上稱為高階交叉相位。首先利用多參量聯合調控技術制備攜帶完美渦旋光信息與交叉相位的全息圖樣，并加載到空間光調制器，一束線偏振高斯光照射到空間光調制器進行復振幅調制，出射光經過一個凸透鏡，在透鏡的后焦面上即可得到多邊形完美渦旋光，調節高階交叉相位參數可操控完美渦旋光的形狀和光強分布。本方法光路簡潔，靈活性強，屬于渦旋光操控領域，可應用于多邊形完美渦旋光制備與操控，以及微觀粒子的光學操控。

技術領域

本發明涉及一種基于高階交叉相位的多邊形完美渦旋光制備與操控方法。完美渦旋光是一種光束半徑與拓撲荷數無關的渦旋光場，交叉相位是一種特殊的光場相位結構，3階及以上稱為高階交叉相位，高階交叉相位可將完美渦旋光的光斑調控為多邊形。首先利用多參量聯合調控技術制備攜帶完美渦旋光信息與交叉相位的全息圖樣，并加載到空間光調制器，一束線偏振高斯光照射到空間光調制器進行復振幅調制，出射光經過一個凸透鏡后，在凸透鏡的后焦面上即可得到多邊形完美渦旋光，高階交叉相位可通過空間光調制器制備完美渦旋光、操控其形狀和光強分布。本方法光路簡潔，靈活性強，屬于渦旋光操控領域，可應用于多邊形完美渦旋光的制備與調控，在微觀粒子的光學操控領域具有廣泛應用前景。

技術背景

渦旋光是一種具有螺旋波陣面和特殊光強分布的光場，完美渦旋光是一種光束半徑與拓撲荷數無關的渦旋光場，即光束半徑不隨拓撲荷數的變化而變化，小半徑的完美渦旋光可攜帶大拓撲荷數。這種特性能夠彌補拉蓋爾- 高斯光束和貝塞爾-高斯光束半徑隨拓撲荷數增大而增大的缺陷。近年來，完美渦旋光因具有特殊的性質和廣泛應用價值，在光學操控、光通信、光學微測量等領域飽受關注。

完美渦旋光的相位中含有角相位因子exp(ilθ)，其中l為軌道角動量拓撲荷數，θ為方位角；每個光子攜帶的軌道角動量，為約化普朗克常數，該角相位因子說明完美渦旋光在傳播過程中，若繞光軸傳播一個周期，則波陣面正好繞光軸旋轉一周，相位也相應改變2πl；螺旋形相位的中心是一個相位奇點，該處的相位不確定，并且光場振幅為零，因此在光場中心形成了中空暗核。普通的完美渦旋光通常由貝塞爾-高斯光束經過凸透鏡進行傅里葉變換后獲得，光斑與基模高斯光束同為圓形。因為需要精確對準，傳統完美渦旋光的制備方法對光路提出了很高的要求。

交叉相位是一種特殊的光場相位結構，2階交叉相位稱為低階交叉相位， 3階及以上稱為高階交叉相位。目前，交叉相位作為一種新的相位結構，已經被用于拉蓋爾-高斯光束、圓艾里光束等結構光束的制備與模式檢測，同時也為渦旋光的操控提供了一種全新的途徑。高階交叉相位可在遠場條件下實現任意渦旋光場的操控，然而完美渦旋光只能在透鏡的焦平面上得到，因此將貝塞爾-高斯光束與高階交叉相位結合，并使用凸透鏡進行傅里葉變換，在凸透鏡的后焦面上可實現多邊形完美渦旋光的制備與操控。

多邊形完美渦旋光的制備與操控對于拓展完美渦旋光的應用具有重要意義。多邊形完美渦旋光不僅具有光束半徑與拓撲荷數無關的特點，而且具有特殊的能量與相位分布，在微粒的復雜運動控制，光學通信等方面具有極高的應用價值。在實驗室環境下，將交叉相位與空間光調制器結合實現多邊形完美渦旋光的制備與操控具有諸多優點，空間光調制器體積小，使用便利，將攜帶完美渦旋光信息與高階交叉相位的全息圖樣加載到空間光調制器，出射光經過一個凸透鏡，在凸透鏡的后焦面上即可實現多邊形完美渦旋光的制備與操控。高階交叉相位可實現多邊形完美渦旋光的整形，其邊數等于高階交叉相位的階數，與完美渦旋光自身的拓撲荷數無關，且光斑大小與拓撲荷數無關。同時，高階交叉相位的階數等于兩個正整數指數之和，兩個正整數指數的差異會影響多邊形完美渦旋光的對稱性，差異越小，對稱性越強。調節高階交叉相位的強度因子可在不改變光斑形狀的條件下調控多邊形完美渦旋光的光強分布和模式純度，強度因子越大，光強分布越集中且均勻分布于多邊形的各個頂點，模式純度也越大。

發明內容