一種分數階完美渦旋光束的產生裝置及產生方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及微粒光操縱和光學測試領域，具體的說是一種分數階完美滿旋光束的 產生裝置及產生方法。
【背景技術】
[0002] 滿旋光束在光學誘捕、操縱微小粒子等方面有著廣泛的應用。成為近年來信息光 學領域一個非常重要的研究熱點。2004年，M.V. Berry首次系統(tǒng)、全面的闡述了分數階光學 滿旋的理論基礎【J化t a-Pure Appl Op, 2004, 62: 259】;隨后，分數階滿旋光束得到了 實驗驗證【New JPhys，2004, 61: 71】。分數階滿旋光束可攜帶更多信息量、且能提供更 精細化的微粒操作，成為滿旋光學領域眾多研究者競相研究的熱點課題。
[0003] 目前產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 調制器的計算全息法等。運些方法產生的滿旋光束亮環(huán)半徑隨拓撲荷的增大而增加，運種 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)半徑不依賴于拓撲荷值【Opt. Lett. 38，534 2013】，但該方法伴隨完美滿旋光束均會產生額外的雜散光環(huán)。2015年，Pravin Vaity等通 過對貝塞爾-高斯光束做傅里葉變換，從而獲得無額外光環(huán)的整數階完美滿旋【Opt. Lett.，40, 5972015】。最近，發(fā)明專利"產生完美滿旋陣列的二維編碼相位光柵"（公開號 為104808272A，公開日為2015.07.29)，介紹了一種產生完美滿旋的二維編碼相位光柵，通 過該二維編碼相位光柵的調制，在其傅立葉變換面上可W同時產生多個攜帶不同拓撲荷的 完美滿旋陣列。但是上述所有方案所產生的滿旋光束均為整數階完美滿旋，而如何產生分 數階完美滿旋光束是該領域面臨的一個亟待解決的難題。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明目的是為解決上述技術問題的不足，提供一種分數階完美滿旋光束的產生 裝置及產生方法，能夠實現參數可實時在線自由調控的分數階完美滿旋光束。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案是： 一種分數階完美滿旋光束產生裝置，包括一連續(xù)波激光器;所述連續(xù)波激光器發(fā)出光 束的前進方向設有反射鏡，經反射鏡反射后的光束前進方向依次設有針孔濾波器、凸透鏡 I、起偏器和分束立方體;經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;在反射光前進方向上設有反射式空間光調制器，經反射式空間光調制器反射后產生的 光束經過經分束立方體后，其前進方向上依次設有檢偏器、小孔光闊、凸透鏡II和CCD相機； 所述的反射式空間光調制器、CCD相機分別與計算機連接;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制器置于凸透鏡II的前焦平面上;所 述的CCD相機置于凸透鏡II的后焦平面上。
[0006] 利用所述分數階完美滿旋光束產生裝置產生分數階完美滿旋光束的方法，包括W 下步驟： 步驟一、利用計算機生成含有錐透鏡透過率函數和分數階滿旋光束與平面波干設的光 強圖；具體過程如下： 平面波的電場表示為：
其中，Eo表示振幅強度，k表示波數，Z表示傳播距離； 垂直入射到錐透鏡上的滿旋光束的電場表示為：
其中，4為振幅常數，·%為束腰半徑，m為拓撲荷數，取分數;j為虛數單位； 錐透鏡的復振幅透過率函數為：
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，R為錐透鏡光瞳半徑； 滿旋光束經過錐透鏡后與平面波干設的復振幅分布為：
步驟二、結合計算全息技術，利用計算機將復振幅El的光強圖寫入反射式空間光調制 器； 步驟Ξ、打開連續(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，進入針孔 濾波器、然后經凸透鏡I準直，準直后的光束經起偏器后變?yōu)榫€偏振光，照射在分束立方體 上;經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制器上； 步驟四、照射在反射式空間光調制器上的光束用來衍射再現分數階貝塞爾-高斯光束； 衍射再現的貝塞爾-高斯光束經過分束立方體、檢偏器及小孔光闊后，照射在凸透鏡II上進 行傅里葉變換生成分數階完美滿旋光束； 步驟五、所述的分數階完美滿旋光束在CCD相機中成像后，圖像進入計算機進行后續(xù)分 析； 步驟六、根據計算機分析結果，所產生的完美滿旋光束亮環(huán)半徑不隨分數階拓撲荷值m的改變而改變;通過調節(jié)步驟一中錐透鏡材料折射率η或錐角a的數值，可W調節(jié)分數階完 美滿旋光束亮環(huán)半徑。
[0007]有益效果：與現有技術相比，本發(fā)明分數階完美滿旋光束產生裝置裝置和方法能 夠實現參數可實時在線自由調控的分數階完美滿旋光束;本發(fā)明裝置具有原理簡潔、成本 低廉、參數可實時在線調節(jié)、易于操作的優(yōu)點;可廣泛應用于微粒光操縱、光學測試等領域。
【附圖說明】
[000引圖1是本發(fā)明分數階完美滿旋光束產生裝置的裝置原理圖；圖中標記：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、反射式空間光調制器，21ο、小孔光闊，300、CCD相機，400、計算機； 圖2為計算機記錄的一組分數階完美滿旋光束強度圖。
【具體實施方式】
[0009]如圖所示，一種分數階完美滿旋光束產生裝置，包括一連續(xù)波激光器100;所述連 續(xù)波激光器100發(fā)出光束的前進方向設有反射鏡110,經反射鏡110反射后的光束前進方向 依次設有針孔濾波器120、凸透鏡1130、起偏器141和分束立方體150;經分束立方體150后的 光束分為兩束，其中一束為反射光，一束為透射光;在反射光前進方向上設有反射式空間光 調制器200,經反射式空間光調制器200反射后產生的光束經過經分束立方體150后，其前進 方向上依次設有檢偏器142、小孔光闊210、凸透鏡II131和CCD相機300; 所述的反射式空間光調制器200XCD相機300分別與計算機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制器200置于凸 透鏡II131的前焦平面上;所述的CCD相機300置于凸透鏡II131的后焦平面上。
[0010] 利用所述分數階完美滿旋光束產生裝置產生分數階完美滿旋光束的方法，包括W 下步驟： 步驟一、利用計算機400生成含有錐透鏡透過率函數和分數階滿旋光束與平面波干設 的光強圖；具體過程如下： 平面波的電場表示為：
其中，Eo表示振幅強度，k表示波數，Z表示傳播距離； 垂直入射到錐透鏡上的滿旋光束的電場表示為：
其中，為為振幅常數，為束腰半徑，m為拓撲荷數，取分數;j為虛數單位； 錐透鏡的復振幅透過率函數為：
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，R為錐透鏡光瞳半徑； 滿旋光束經過錐透鏡后與平面波干設的復振幅分布為：
步驟二、結合計算全息技術，利用計算機400將復振幅El的光強圖寫入反射式空間光調 制器200; 步驟Ξ、打開連續(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，進入針孔濾波器120、然后經凸透鏡1130準直，準直后的光束經起偏器141后變?yōu)榫€偏振 光，照射在分束立方體150上;經分束立方體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制器200上； 步驟四、照射在反射式空間光調制器200上的光束用來衍射再現分數階貝塞爾-高斯光 束;衍射再現的貝塞爾-高斯光束經過分束立方體150、檢偏器142和小孔光闊210后，照射在 凸透鏡II131上進行傅里葉變換生成分數階完美滿旋光束； 步驟五、所述的分數階完美滿旋光束在CCD相機中成像后，圖像進入計算機400進行后 續(xù)分析； 步驟六、根據計算機分析結果