一種複合光學渦旋的產生方法及其裝置的製作方法

2023-05-22 19:36:46 2

專利名稱：一種複合光學渦旋的產生方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種複合光學渦旋的產生方法及其裝置，是一種用角度復用體全息存 儲方式實現多渦旋同軸疊加，通過光學渦旋與光學渦旋的疊加產生新的複雜渦旋的方法。
背景技術：
光學渦旋在近幾十年中由於其獨特的相位結構和拓撲特性在基礎研究和應用研 究等領域均受到了廣泛的關注。在光學領域，如果光波場的中心存在相位奇點，且相位圍 繞該奇點呈螺旋連續變化，光波波前會繞在傳播方向上的一條線以螺旋方式旋轉，形成螺 旋形的波前，這非常類似於流體中的渦旋現象，因此這類光波被稱為「光學渦旋」(Optical Vortices)0光學渦旋是一種獨特的光場，其螺旋型波前和獨特的相位結構及新穎的拓撲特性 使之可以產生較大的軌道角動量，目前已經成功地將其轉移給微粒實現對微粒的操控。一 般用於微粒操控的光學渦旋多為波前中含有一個相位奇點的單個渦旋，而含有多個相位奇 點的多渦旋結構可進行多種獨立的光學束縛。由於複合渦旋可產生新穎的拓撲結構和強度 分布，可滿足多渦旋結構的要求，因此引起了廣泛關注。早在2003年I. D. Maleev和G. A. Swartzlander等人就分析了兩個平行不共線的 渦旋疊加，描述了光學相位奇點隨兩渦旋的相對相位或幅值的變化情況，並得到渦旋產生 和湮滅的臨界條件。近幾年對光學渦旋的共線疊加研究逐漸增多，其中E. J. Galvez領導的 研究小組在2006-2009年間致力於此方面的研究，得出了兩渦旋疊加後產生的複合渦旋的 分布規律。多個渦旋的疊加產生新的渦旋分布，目前多從理論上研究多個渦旋在不同條件 下疊加產生複合渦旋的分布或其分布規律，而通過實驗得到複合渦旋的介紹卻很少，比如 E. J. Galvez領導的研究小組已在實驗上利用兩嵌套式的馬赫-曾德(Mach-Zehnder)幹涉 光路實現了兩個渦旋(拓撲荷值為整數或小數)的同軸疊加。此方法便於分別控制幹涉臂 上兩光學渦旋的相對強度和相位，但調節兩光學渦旋的平行和同軸較難，且對於多個(> 2)渦旋的同軸幹涉疊加實現起來難度更大。

發明內容
要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種複合光學渦旋的產生方法及其裝 置，通過角度復用體全息存儲方式實現多渦旋同軸疊加，通過光學渦旋與光學渦旋的疊加 產生新的複雜渦旋的花樣。本發明的思想在於採用角度復用多重體存儲技術實現多個光學渦旋的同軸疊加 從而複合渦旋的方法及其裝置，包括一利用角度復用技術實現多重體全息存儲和再現的光 路，該光路可實現對多個不同光學渦旋的體全息存儲與再現；以及一產生光學渦旋的發生 器件，該器件可根據要求產生不同的光學渦旋。通過計算機編程控制不同參考光照射體全息記錄介質以再現出不同渦旋組合以實現不同光學渦旋的同軸疊加來產生複合渦旋。技術方案一種複合光學渦旋的產生方法，其特徵在於步驟如下步驟1 將雷射器出射的光分為兩束相干光，其中一束進行渦旋調製形成渦旋光束O1 ；渦旋光束O1與另一束參考光禮以一夾角入射到體全息存儲介質中得到第一幅幹涉體 全息圖；步驟2 將參考光R1偏轉角度Δ θ成為新的參考光R2，將渦旋光束O1進行渦旋調 制形成新的渦旋光束02，參考光R2和渦旋光束O2以新的夾角在體全息存儲介質中的同一位 置幹涉形成另一體全息圖，完成第二幅信息的記錄；所述偏轉角Δ θ為0.02度到0.06度；步驟3 利用體全息的布拉格選擇性，重複η次步驟2，得到η幅體全息圖；所述的 η=渦旋光束與參考光束的角度差/Δ θ ；步驟4 以記錄第i幅體全息圖相同的參考光Ri入射體全息存儲介質中第i幅體 全息圖記錄位置，得到渦旋光束Oi的再現；步驟5 將步驟4中得到的兩幅以上的不同渦旋光束Oi進行同軸疊加得到複合渦旋。所述的體全息存儲介質為透射式體全息存儲介質、反射式體全息存儲介質或鄰面 入射式體全息存儲介質。當體全息存儲介質為透射式體全息存儲介質時，步驟1或步驟2中所述的夾角θ 和θ為30度到60度。當體全息存儲介質為鄰面入射式體全息存儲介質時，步驟1或步驟2中所述的夾 角θ和θ為90度到120度。當體全息存儲介質為反射式體全息存儲介質時，步驟1或步驟2中所述的夾角θ 和θ為130度到160度。一種實現複合光學渦旋的產生方法的裝置，其特徵在於包括雷射光源1、光束擴大 器2、第一反射鏡3、第二反射鏡4、主快門8、渦旋調製器、體全息存儲介質13、圖像採集器件 14、η個參考光路反射鏡5、η個分束鏡6、η個參考光路快門7、控制器15和計算機16 ；雷射 光源1發出的雷射經過光束擴大器2、第一反射鏡3和第二反射鏡4，在主快門8的控制下， 通過渦旋調製器形成渦旋光；第一反射鏡3與第二反射鏡4的光路之間設有η個分束鏡6， 形成η個參考光，η個參考光經過η個參考光路快門7後，通過η個參考光路反射鏡5與渦 旋光在體全息存儲介質13中形成η幅體全息圖；在體全息存儲介質13之後且與渦旋光同 軸設有圖像採集器件14 ；主快門8和η個參考光路快門7與控制器15和計算機16實現電 信號聯接。所述的渦旋調製器採用渦旋平面全息產生器、螺旋相位板渦旋產生器、模式轉換 渦旋產生器、中空波導渦旋產生器或旋轉鏡面光學參數振蕩器。所述的體全息存儲介質採用透射式體全息存儲、反射式體全息存儲或鄰面入射式 體全息存儲。雷射光源1發出的雷射經過光束擴大器2、第一反射鏡3和第二反射鏡4，在主快 門8的控制下，通過渦旋調製器形成渦旋光；第一反射鏡3與第二反射鏡4的光路之間的η 個分束鏡6，形成η個參考光，η個參考光經過η個參考光路快門7後，通過η個參考光路反射鏡5與渦旋光在體全息存儲介質13中形成η幅體全息圖。有益效果本發明提出的複合光學渦旋的產生方法及其裝置，通過角度復用方式在體全息存儲介質內寫入多重體全息，記錄過程中，渦旋光束方向始終不變，保證了不同渦旋光束的同 軸性，且體全息光柵的布拉格衍射可使之具有很高的衍射效率。而複合光學渦旋的產生只 需通過計算機控制系統選用相應參考光再現出相應的渦旋光束以實現不同光學渦旋的疊 力口。整個產生過程簡單，易滿足不同光學渦旋的同軸性和高衍射效率，且由於此方法可通過 改變參考光的入射角度增加光學渦旋的存儲容量，因此本發明複合渦旋的產生方法簡單易 調節，且得到複合渦旋的種類多樣。


圖1 是本發明提出的產生複合光學渦旋方法的流程2 是利用本發明方法設計的產生複合光學渦旋的第一種結構形式；圖中，1-雷射光源，2-光束擴大器，3-第一反射鏡，4-第二反射鏡，5-η個參考光路 反射鏡，6-3個分束鏡，7-3個參考光路快門，8-主快門，9-傅立葉變換透鏡，10-傅立葉逆變 換透鏡，11-針孔濾波器，12-渦旋平面全息產生器，13-1-透射式體全息存儲介質，14-圖像 採集器件，15-控制器，16-計算機。圖3是利用第一種結構形式得到的拓撲荷分別為1、2、3的光學渦旋疊加結果；圖中，al_全息再現的拓撲荷為1的光學渦旋，a2_全息再現的拓撲荷為2的光學 渦旋，a3_全息再現的拓撲荷為2的光學渦旋，a4_全息再現的拓撲荷為1和2同軸疊加的 複合光學渦旋，a5-全息再現的拓撲荷為2和3同軸疊加的複合光學渦旋，a6-全息再現的 拓撲荷為1和3同軸疊加的複合光學渦旋，a7-全息再現的拓撲荷為1、2和3同軸疊加的 複合光學渦旋，bl b7-光學渦旋或複合光學渦旋與平面波的幹涉圖樣，A4 A7及B4 B7-相應的數值模擬結果。圖4是是利用本發明方法設計的產生複合光學渦旋的第二種結構形式；圖中，1-雷射光源，2-光束擴大器，3-第一反射鏡，4-第二反射鏡，5-η個參考 光路反射鏡，6-5個分束鏡，7-5個參考光路快門，8-主快門，18-螺旋相位板渦旋產生器， 13-2-鄰面入射式體全息存儲介質，14-圖像採集器件，15-控制器，16-計算機。圖5是是利用本發明方法設計的產生複合光學渦旋的第三種結構形式；圖中，1-雷射光源，2-光束擴大器，3-第一反射鏡，4-第二反射鏡，5-η個參考光路 反射鏡，6-5個分束鏡，7-5個參考光路快門，8-主快門，19-模式轉換渦旋產生器，13-3-反 射式體全息存儲介質，14-圖像採集器件，15-控制器，16-計算機。
具體實施例方式現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述實施例一請參閱圖2，其是本發明提出的複合光學渦旋的產生方法的第一實施方式的主要 光路結構，包括雷射光源1，依次設置在該雷射光源1出射光路上的光束擴大器2、第一反射 鏡3、分束鏡6-1，由設置在該分束鏡6-1反射光路上的第一個參考光路快門7-1和參考光路反射鏡5-1 ；在分束鏡6-1透射光路上的分束鏡6-2和反射光路上的第二個參考光路快 門7-2和參考光路反射鏡5-2 ；……；在分束鏡6-n反射光路上的第η個參考光路快門7_η 和參考光路反射鏡5-η，在分束鏡6-n的透射光路上的第二反射鏡4、主快門8、渦旋平面全 息產生器12、第一傅立葉變換透鏡9、第一針孔濾波器11、第一傅立葉逆變換透鏡10。參考 光路反射鏡5的朝向設置成使參考光與物光在透射式全息存儲介質13-1的指定位置17交 叉，所述η = 3。產生複合光學渦旋的結構還包括用於控制參考光和渦旋光光路上的快門的控制 器15及計算機16。其他元器件均採用常規產品。
本實施方式的存儲方法為記錄時，雷射光源1發出的雷射經光束擴大器2後提 供系統所需的平行光。平行光垂直入射到分束鏡6-1，入射光被分為兩路其反射光，經第 一個參考光路快門7-1和參考光路反射鏡5-1，構成記錄所需的第一參考光R1 ；其透射光， 垂直入射到分束鏡6-2，被分為兩路其反射光，經第二個參考光路快門7-2和參考光路反 射鏡5-2，構成記錄所需的第二參考光R2 ；其透射光，垂直入射到分束鏡6-3，被分為兩路 其反射光，經第三個參考光路快門7-3和參考光路反射鏡5-3，構成記錄所需的第三參考光 R3 ；其透射光，經第二反射鏡4、主快門8後由渦旋平面全息產生器12調製，再第一傅立葉變 換透鏡9、第一針孔濾波器11、第一傅立葉逆變換透鏡10記錄所需的渦旋光。渦旋平面全 息產生器12、第一傅立葉變換透鏡9、第一針孔濾波器11、第一傅立葉逆變換透鏡10、體全 息記錄介質13-1構成典型的4F結構。各參考光和渦旋光以不同夾角從同一側入射到透射 式體全息存儲介質13-1的同一位置17幹涉形成多重光柵，記錄多個數據頁。讀取過程則 將渦旋光光路阻斷，用於記錄時一致的參考光在位置19讀取相應的數據頁信息。請參閱圖3，其是利用本實施例通過實驗得到的光學渦旋及其疊加結果。其獲得步 驟為第一步利用第一實施例，用第一參考光R1和拓撲荷為1的光學渦旋O1在體全息 存儲介質13-1的同一位置19幹涉形成光柵；第二步用第二參考光和拓撲荷為2的光學渦旋在體全息存儲介質13-1的同一位 置17幹涉形成光柵；第三步用第三參考光和拓撲荷為3的光學渦旋在體全息存儲介質13-1的同一位 置17幹涉形成光柵；第四步關閉渦旋光光路，通過計算機16編程的控制器15來控制參考光路中的快 門開關，再現出相應的光學渦旋或複合光學渦旋，並用圖像採集器件14進行採集。實施例二 請參閱圖4，其是本發明提出的複合光學渦旋的產生方法的第二實施方式的主要 光路結構，包括雷射光源1，依次設置在該雷射光源1出射光路上的光束擴大器2、第一反射 鏡3、分束鏡6-1，由設置在該分束鏡6-1反射光路上的第一個參考光路快門7-1和參考光 路反射鏡5-1 ；在分束鏡6-1透射光路上的分束鏡6-2和反射光路上的第二個參考光路快 門7-2和參考光路反射鏡5-2 ；……；在分束鏡6-n的反射光路上的第η個參考光路快門 7-η和參考光路反射鏡5-η，在分束鏡6_η的透射光路上的第二反射鏡4、主快門8、螺旋相 位板渦旋產生器18，該鄰面入射式體全息存儲介質13-2的一面與參考光路反射鏡5的反射光路同一朝向，所述η = 5。產生複合光學渦旋的結構還包括用於控制參考光和渦旋光光路上的快門的控制器15及計算機16。本實施方式的存儲方法為記錄時，雷射光源1發出的雷射經光束擴大器2後提 供系統所需的平行光。平行光垂直入射到分束鏡6-1，入射光被分為兩路其反射光，經第 一個參考光路快門7-1和參考光路反射鏡5-1，構成記錄所需的第一參考光R1 ；其透射光， 垂直入射到分束鏡6-2，被分為兩路其反射光，經第二個參考光路快門7-2和參考光路反 射鏡5-2，構成記錄所需的第二參考光R2 ；……；其透射光，垂直入射到分束鏡6-5，被分為 兩路其反射光，經第5個參考光路快門7-5和參考光路反射鏡5-5，構成記錄所需的第五 參考光R5 ；其透射光，經第二反射鏡4、主快門8後由螺旋相位板渦旋產生器18調製，構成 記錄所需的渦旋光。各參考光和渦旋光以不同夾角分別入射到鄰面入射式體全息存儲介質 13-2的兩相鄰面並在其中幹涉形成多重光柵，記錄多個數據頁。讀取過程則將渦旋光光路 阻斷，用於記錄時一致的參考光在相應的位置讀取相應的數據頁信息。實施例三請參閱圖5，其是本發明提出的複合光學渦旋的產生方法的第三實施方式的主要 光路結構，包括雷射光源1，依次設置在該雷射光源1出射光路上的光束擴大器2、第一反 射鏡3、分束鏡6-1，由設置在該分束鏡6-1反射光路上的第一個參考光路快門7-1和參考 光路反射鏡5-1 ；在分束鏡6-1透射光路上的分束鏡6-2和反射光路上的第二個參考光路 快門7-2和參考光路反射鏡5-2 ；……；在分束鏡6-η反射光路上的第η個參考光路快門 7-η和參考光路反射鏡5-η，在分束鏡6_η透射光路上的第二反射鏡4、主快門8、模式轉換 渦旋產生器19，參考光路反射鏡5的朝向設置成使參考光與渦旋光在反射式體全息存儲介 質13-3的相對面入射，並在指定位置交叉幹涉，所述η = 5。產生複合光學渦旋的結構還包括用於控制參考光和渦旋光光路上的快門的控制 器15及計算機16。本實施方式的存儲方法為記錄時，雷射光源1發出的雷射經光束擴大器2後提供 系統所需的平行光。平行光垂直入射到分束鏡6-1，入射光被分為兩路其反射光，經第一 個參考光路快門7-1和參考光路反射鏡5-1，構成記錄所需的第一參考光R1 ；其透射光，垂 直入射到分束鏡6-2，被分為兩路其反射光，經第二個參考光路快門7-2和參考光路反射 鏡5-2，構成記錄所需的第二參考光R2 ；……；其透射光，垂直入射到分束鏡6-5，被分為兩 路其反射光，經第5個參考光路快門7-5和參考光路反射鏡5-5，構成記錄所需的第五參 考光R5 ；其透射光，經第二反射鏡4、主快門8後由模式轉換渦旋產生器19調製，構成記錄 所需的渦旋光。各參考光和渦旋光以不同夾角分別入射到反射式體全息存儲介質13-3的 相對面，並在其中幹涉形成多重光柵，記錄多個數據頁。讀取過程則將渦旋光光路阻斷，用 於記錄時一致的參考光在相應的位置讀取相應的數據頁信息。本發明不限於上述實施方案。例如，在上述實施方案中，作為示例，使用了一種光學渦旋產生裝置和一種體全息 存儲方式相結合。但有多種光學渦旋產生裝置，多種類型的體全息存儲介質，只要是其中任 一組合都可以使用。在那種情況下，應當理解體全息存儲系統整個部分的結構需要適當地 修改。
權利要求
一種複合光學渦旋的產生方法，其特徵在於步驟如下步驟1將雷射器出射的光分為兩束相干光，其中一束進行渦旋調製形成渦旋光束O1；渦旋光束O1與另一束參考光R1以一夾角入射到體全息存儲介質中得到第一幅幹涉體全息圖；步驟2將參考光R1偏轉角度Δθ成為新的參考光R2，將渦旋光束O1進行渦旋調製形成新的渦旋光束O2，參考光R2和渦旋光束O2以新的夾角在體全息存儲介質中的同一位置幹涉形成另一體全息圖，完成第二幅信息的記錄；所述偏轉角Δθ為0.02度到0.06度；步驟3利用體全息的布拉格選擇性，重複n次步驟2，得到n幅體全息圖；所述的n＝渦旋光束與參考光束的角度差/Δθ；步驟4以記錄第i幅體全息圖相同的參考光Ri入射體全息存儲介質中第i幅體全息圖記錄位置，得到渦旋光束Oi的再現；步驟5將步驟4中得到的兩幅以上的不同渦旋光束Oi進行同軸疊加得到複合渦旋。
2.根據權利要求1所述的複合光學渦旋的產生方法，其特徵在於所述的體全息存儲 介質為透射式體全息存儲介質、反射式體全息存儲介質或鄰面入射式體全息存儲介質。
3.根據權利要求1或2所述的複合光學渦旋的產生方法，其特徵在於當體全息存儲 介質為透射式體全息存儲介質時，步驟1或步驟2中所述的夾角θ和θ為30度到60度。
4.根據權利要求1或2所述的複合光學渦旋的產生方法，其特徵在於當體全息存儲 介質為鄰面入射式體全息存儲介質時，步驟1或步驟2中所述的夾角θ和θ為90度到 120 度。
5.根據權利要求1或2所述的複合光學渦旋的產生方法，其特徵在於當體全息存儲 介質為反射式體全息存儲介質時，步驟1或步驟2中所述的夾角θ和θ為130度到160度。
6.一種實現權利要求1 5所述的複合光學渦旋的產生方法的裝置，其特徵在於包括 雷射光源(1)、光束擴大器(2)、第一反射鏡(3)、第二反射鏡(4)、主快門(8)、渦旋調製器、 體全息存儲介質(13)、圖像採集器件(14)、η個參考光路反射鏡(5)、η個分束鏡(6)、η個 參考光路快門(7)、控制器(15)和計算機(16)；雷射光源(1)發出的雷射經過光束擴大器 (2)、第一反射鏡(3)和第二反射鏡(4)，在主快門(8)的控制下，通過渦旋調製器形成渦旋 光；第一反射鏡(3)與第二反射鏡(4)的光路之間設有η個分束鏡(6)，形成η個參考光，η 個參考光經過η個參考光路快門(7)後，通過η個參考光路反射鏡(5)與渦旋光在體全息 存儲介質(13)中形成η幅體全息圖；在體全息存儲介質(13)之後且與渦旋光同軸設有圖 像採集器件(14)；主快門(8)和η個參考光路快門(7)與控制器(15)和計算機(16)實現 電信號聯接。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於所述的渦旋調製器採用渦旋平面全息產 生器、螺旋相位板渦旋產生器、模式轉換渦旋產生器、中空波導渦旋產生器或旋轉鏡面光學 參數振蕩器。
8.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於所述的體全息存儲介質採用透射式體全 息存儲、反射式體全息存儲或鄰面入射式體全息存儲。
全文摘要
本發明涉及一種複合光學渦旋的產生方法及其裝置，其特徵在於採用角度復用多重體存儲技術實現多個光學渦旋的同軸疊加從而複合渦旋的方法及其裝置，包括一利用角度復用技術實現多重體全息存儲和再現的光路，該光路可實現對多個不同光學渦旋的體全息存儲與再現；以及一產生光學渦旋的發生器件，該器件可根據要求產生不同的光學渦旋。通過計算機編程控制不同參考光照射體全息記錄介質以再現出不同渦旋組合以實現不同光學渦旋的同軸疊加來產生複合渦旋。本發明滿足不同光學渦旋的同軸性和高衍射效率，且由於此方法可通過改變參考光的入射角度增加光學渦旋的存儲容量，因此本發明複合渦旋的產生方法簡單易調節，且得到複合渦旋的種類多樣。
文檔編號G11B7/0065GK101814328SQ201010132599
公開日2010年8月25日 申請日期2010年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者李海蓮, 楊德興, 趙建林 申請人:西北工業大學