一种光学旋涡的产生系统的制作方法

本实用新型属于光束调控技术领域，尤其涉及一种光学旋涡的产生系统。

背景技术：

光学旋涡是一类具有螺线形相位分布的光束，其表达式中带有相位因子，光束中的每个光子携带的轨道角动量，其中l称为拓扑荷数，为约化普朗克常数。在传输过程中，光束中心因相位不确定或发生突变而产生奇点，在奇点处的光强为零、无加热效应、无衍射效应。由于光学旋涡和光学涡旋的特征及其复杂性和多样性，还有它们所具有的应用潜力，受到了人们极大地关注。基于光学旋涡的研究课题具备基础性和前瞻性，该研究课题对光的本性认识具有深刻的影响，所以对光学旋涡及其特性的研究具有十分重要的科学意义，值得人们对其进行更为广泛和深入的研究。

光学旋涡因其在光学角动量和动力学行为方面的特殊性，得到了广泛而实际的应用。光学旋涡不仅可用于增大激光腔的模体积，光的光导，频率移动，角动量的改变，还可以作为在自聚焦介质中的暗孤子。光学旋涡所拥有的轨道角动量更可用于自由空间光通信的信息解码。此外，光学旋涡最为突出的还是其在光学微操控领域中的应用，如对微粒和原子的光陷，捕获和引导粒子，旋转吸收的粒子等。

目前用于产生光学旋涡的方法有很多种，螺旋位相片是产生螺旋波前最显而易见的方法，平面波通过位相片能生成具有轨道角动量为lh的光学旋涡。虽然螺旋位相片的概念简单，但它要求在光学波段内加工纳米量级的超精确螺旋面，因此，其他一些产生螺旋波前的方式也被相继提出，如利用柱面镜的模式转换器和计算全息图等。由于折射型光学器件越来越复杂，衍射光学元件成为产生光学旋涡的另一种选择。叉形光栅能在一级衍射方向上产生光学旋涡，这种衍射光学元件实际上是所需光学元件的全息图，或称为计算全息图。产生螺旋光束的全息图为叉形光栅或螺旋菲涅尔镜，这种技术在商用SLM(Spatial Light Modulator，空间光调制器)上被广泛实现。与传统全息图加工技术相比，SLM能通过动态调制简单快捷地产生全息图。除此之外，还有一些其他的方法，如非均匀各项异性元件、亚波长介电光栅及金属纳米天线等。

然而，上述光学旋涡的产生方式面临几个共同问题：一是转换效率低，产生光学旋涡的能量利用率不超过50％；二是基于器件调节的方法灵活性不够高，通常难以实现不同拓扑荷光学旋涡之间的转换；三是由于脉冲激光的一个重要特性是脉冲的高时间分辨，用以上方式调制飞秒激光的过程中，由于产生过程中要反复经过多重光学器件，因而造成光束频谱展宽等色散问题，从而严重影响飞秒激光脉冲的峰值及时间分辨特性。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种光学旋涡的产生系统，旨在解决现有光学旋涡的产生方式中转换效率低、造成光束频谱展宽的色散的问题。

本实用新型是这样实现的，一种光学旋涡的产生系统，包括：

激发光源单元，用于产生激光光束；

偏振调制单元，用于将所述激光光束调制成圆偏振激光束；

光学调制单元，包括若干调制组，每一所述调制组包括涡旋波片和半波片，用于将所述圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡。

进一步地，所述偏振调制单元包括第一偏振片和四分之一波片，所述四分之一波片的长轴方向和所述第一偏振片的偏振方向的夹角为π/4。

进一步地，所述产生系统还包括分光单元、光路补偿单元、反射单元、偏振单元和合束单元；

所述分光单元，用于将所述激发光源单元产生的激光光束分成调制光束和检测光束；

所述反射单元，用于调整所述调制光束的路径，以使所述调制光束按照预置路径入射至所述偏振调制单元；

所述偏振调制单元，用于将所述调制光束调制成圆偏振激光束；

所述光学调制单元，用于将所述圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡入射至所述偏振单元；

所述偏振单元，用于将所述光学旋涡进行偏振调制后入射至所述合束单元；

所述光路补偿单元，用于对所述检测光束进行光程补偿，以使进行光程补偿后的所述检测光束与所述光学旋涡同步入射至所述合束单元；

所述合束单元，用于将进行光程补偿后的所述检测光束和所述光学旋涡进行合束，得到合束光束。

进一步地，所述光路补偿单元包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第二偏振片；

所述检测光束依次经所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜进行光路调整后，入射至所述第二偏振片；

经过光路调整的所述检测光束经所述第二偏振片进行偏振调制后，入射至所述合束单元。

进一步地，所述涡旋波片的快轴方向沿涡旋波片圆周连续旋转，所述快轴方向绕圆周的变化角度为π。

进一步地，所述涡旋波片的光轴与所述圆偏振激光束的光轴重合。

进一步地，所述涡旋波片为液晶半波片。

进一步地，当需要产生位相沿顺时针变化的光学旋涡时，保留所述光学调制单元中最后一组调制组的半波片。

进一步地，当需要产生位相沿逆时针变化的飞秒柱矢量光束时，去除所述光学调制单元中最后一组调制组的半波片。

进一步地，所述分光单元为偏振不敏感器件。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型实施例通过将激发光源单元产生的激光光束调制成圆偏振激光束，并通过光学调制单元将圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡。本实用新型实施例可将激光光束调制成圆偏振激光束，并将圆偏振激光束灵活地调制成任意拓扑荷的光学旋涡，转换效率高，同时解决了现有产生方式在脉冲光学涡旋产生过程中带来的频谱展宽等色散的问题。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例提供的一种光学旋涡的产生系统的结构示意图；

图2是本实用新型第一实施例提供的一种光学旋涡的产生系统的详细结构示意图；

图3是本实用新型第二实施例提供的一种光学旋涡的产生系统的结构示意图；

图4是本实用新型第二实施例提供的一种光学旋涡的产生系统的详细结构示意图；

图5a是涡旋波片的快轴方向的示意图；

图5b是半波片的快轴方向的示意图；

图6a是拓扑荷为1的光学旋涡的相位分布示意图；

图6b是拓扑荷为3的光学旋涡的相位分布示意图；

图7a是拓扑荷为1的线偏光学旋涡与线偏光干涉产生的叉形光栅条纹；

图7b是拓扑荷为3的线偏光学旋涡与线偏光干涉产生的叉形光栅条纹。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例所涉及的原理如下：

圆偏振激光束的琼斯矩阵可表示为：

and

顺时针变化的涡旋波片的琼斯矩阵M₁表示为：

以右旋圆偏振激光束为例，经过包括涡旋波片和半波片的调制组后产生的光束的琼斯矩阵可表示为：

即，产生位相面沿逆时针方向变化的拓扑荷为-1光学旋涡。在上述调制组后插入半波片后的琼斯矩阵可调制为：

此时，入射右旋圆偏振激光束被调制为：

即，产生位相面沿顺时针方向变化的拓扑荷为1光学旋涡。

同样地，要产生逆时针变化的拓扑荷为l的光学旋涡(此处定义位相沿顺时针变化的拓扑荷为正，沿逆时针变化为负)，需要调制组的琼斯矩阵M表示为：

其中，l表示产生光学旋涡的拓扑荷。为获得位相面沿顺时针方向变化的拓扑荷为l光学旋涡，需要调制组的琼斯矩阵M_l’表示为：

其中H₀表示快轴沿水平方向的半波片，琼斯矩阵表示为：

为产生更高拓扑荷的光学涡旋，调制组的琼斯矩阵之间存在如下关系：

M_l＝M_l-1H₀M₁ (9)

由以上公式可以发现：对于需要产生任意高拓扑荷的光学旋涡，可以通过底拓扑荷的光学旋涡结合调制组调制产生；另一方面，对于负数拓扑荷的光学旋涡可通过一个半波片调制对应正数拓扑荷的光学旋涡产生。

基于上述原理，本实用新型实施例通过以涡旋波片和半波片组合的调制组来产生任意拓扑荷的光学旋涡。如图1所示，一种光学涡旋的产生系统包括：

激发光源单元101，用于产生激光光束；

偏振调制单元102，用于将所述激光光束调制成圆偏振激光束；

光学调制单元103，用于将所述圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡。

具体地，如图2所示，偏振调制单元102包括第一偏振片1021和四分之一波片1022，四分之一波片1022的长轴方向和第一偏振片1021的偏振方向的夹角为π/4。激发光源单元101产生的激光光束通常情况下是类似于椭圆偏振的，因此需要偏振调制单元102将其调制成圆偏光。

光学调制单元103包括若干调制组1031，每一调制组1031包括涡旋波片和半波片；

调制组1031用于将入射的所述圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡。

本实用新型实施例中，先通过偏振调制单元102将激发光源单元101产生的激光光束调制为圆偏振激光束，然后该圆偏振激光束通过涡旋波片和半波片组成的调制组后，被调制成预置拓扑荷的光学涡旋。在本实施例中，涡旋波片采用的是快轴方向沿波圆周连续旋转的液晶半波片，该液晶半波片的激光透过率高达99％，通过调制组1031可将入射的圆偏振激光束高效率、高纯度地调制为光学旋涡。

本实施例提供的光学旋涡的产生系统可用于产生任意拓扑荷的光学旋涡，还适用于脉冲激光领域。

如图3所示，本实用新型提供的另外一种光学旋涡的产生系统，包括：

激发光源单元201，用于产生激光光束；

分光单元202，用于将激发光源单元201产生的激光光束分成调制光束和检测光束；

反射单元203，用于调整所述调制光束的路径，以使所述调制光束按照预置路径入射至偏振调制单元204；

偏振调制单元204，用于将所述调制光束调制成圆偏振激光束。具体地，如图4所示，偏振调制单元204包括第一偏振片2041和四分之一波片2042，四分之一波片2041的长轴方向和第一偏振片2041的偏振方向的夹角为π/4。

光学调制单元205，用于将所述圆偏振激光束调制成预置拓扑荷的光学旋涡入射至偏振单元206。具体地，光学调制单元205包括若干调制组2051，每一调制组2051包括涡旋波片和半波片，在实际应用中，所有的调制组中的涡旋波片快轴的起始方向均一致。

偏振单元206，用于将所述光学旋涡进行偏振后入射至合束单元207；

光路补偿单元208，用于对所述检测光束进行光程补偿，以使进行光程补偿后的所述检测光束与所述光学旋涡同步入射至合束单元207。如图4所示，光路补偿单元208包括第一反光镜2081、第二反光镜2082、第三反光镜2083、第四反光镜2084和第二偏振片2085，检测光束依次经第一反射镜2081、第二反射镜2082、第三反射镜2083和第四反射镜2084进行光路调整后，入射至第二偏振片2085，经过光路调整的检测光束经第二偏振片2085进行偏振调整后，入射至合束单元207.

合束单元207，用于将进行光程补偿后的所述检测光束和所述光学旋涡进行合束，得到合束光束。在本实施例中，为了检测光学旋涡的拓扑荷，合束单元207将进行光程补偿后的检测光束和光学旋涡进行合束，然后射入外部的检测系统。因为光学旋涡和检测光束合束产生干涉后会产生叉形光栅，所产生的叉形光栅的叉数代表了光学旋涡的拓扑荷数。合束单元207合束后得到的合束光束入射至外部检测系统，外部检测系统再将得到的叉形光栅的叉数与预期设计的拓扑荷进行比较，若两者数值相同，则证明该光学旋涡为预期得到的光学旋涡，若不一致，则可以判断该光学旋涡非预期得到的光学旋涡。

激光光源单元201用于产生激光光束，偏振调制单元204用于将入射的调制光束调制为圆偏振激光束。激发光源单元201采用激光器，该激光器可以是连续激光器，也可以是脉冲激光器，偏振调制单元204包括第一偏振片2041和四分之一波片2042。

在具体实现过程中，圆偏振激光束经过光学调整单元205的第一组调制组后被调制成拓扑荷为1的光学旋涡，该拓扑荷为1的光学旋涡依此经过(m-1)组调制组后，被调制成拓扑荷为m的光学旋涡；在该拓扑荷为m的光学旋涡产生的光路中去除最后一个半波片，即可调制为拓扑荷为-m的光学旋涡。

以右旋圆偏振激光束为例，右旋圆偏振激光束进入光学调制单元205，经不同数量的(l＝m)调制组后，调制为偏振方向与入射圆偏振激光束相反、拓扑荷为m的光学旋涡；在去除最后一组调制组的半波片的情况下，调制产生为偏振与入射圆偏振光保持一致的拓扑荷为-m的光学旋涡。左旋圆偏振激光束调制结果与之相反；通过改变四分之一波片的角度(π/2)，可以实现左右旋圆偏振激光束的转换。具体地，光学旋涡拓扑荷的正负只跟最后一组调制组的最后一个半波片有关，保留最后一个调制组中的半波片，得到位相变化沿顺时针变化的拓扑荷为l的光学旋涡；去掉最后一组调制组的最后一个半波片，得到位相沿逆时针变化的拓扑荷为-l的光学旋涡。

本实施例中的光路补偿单元208，用于对检测光束进行光程补充，进行光程补偿后的检测光束将与产生的光学旋涡同步入射至合束单元207，因为在实际应用中，光学旋涡与线偏振光干涉产生叉形光栅，所产生叉数代表了光学旋涡的拓扑和数，从而可以方便的对光学旋涡的拓扑荷进行检测。

本实施例中，各单元用到的器件如图4所示，其中反射单元203采用反射镜，光路补偿单元208采用四片反射镜和一片偏振片进行光学补偿，合束单元207为分光片，偏振单元206为偏振片，具体地，涡旋波片的快轴沿波片圆周旋转一周时，快轴方向的角度改变π，可用于调制光学旋涡的拓扑荷数改变1。根据需要产生的光学旋涡的拓扑荷数可确定出本实施例的基本光束调制结构，即需要多少个调制组组成光学调制单元205。本实施例还可对光学旋涡的拓扑荷进行降阶调制。例如：l(l＝m-n)阶飞秒柱矢量光束可由拓扑荷为m的光学旋涡依次经n个涡旋波片调制产生。

需要注意的是，在调制过程中，各涡旋波片需要同轴调制，其中涡旋波片快轴的起始方向保持一致。还需注意的是，由于光学调制单元205中调制组的半波片是用于调制输出光束的偏振方向，因此，当需要产生偏振方向与入射圆偏振光一致的光学旋涡时，沿光路最后一个半波片应当去除；当所需调制产生的光学旋涡的偏振方向与入射偏振相反时，沿光路最后一个半波片应当保留。

利用本实施例，只要通过旋转调节四分之一波片的方向变化π/2，就可以实现在不改变光学旋涡拓扑荷的前提下改变相位变化的方向。图5a、5b分别是涡旋波片和半波片快轴方向分布示意图。图6a及6b分别是拓扑荷为1和3的光学旋涡相位分布示意图。图7a及7b分别为拓扑荷为1和3的线偏光学旋涡与线偏光干涉产生的叉形光栅条纹。

与现有技术相比，本实用新型提供的上述实施例通过快轴方向沿波片圆周连续变化的涡旋波片组合可由圆偏振激光束调制产生任意拓扑荷的高效率、高纯度、高稳定性的光学旋涡，实现对光场的调制，该技术在加工、通信、光学操控、表面增强拉曼散射研究等前沿领域具有重大意义。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。