一種利用計(jì)算全息圖產(chǎn)生渦旋光束的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用計(jì)算全息圖產(chǎn)生渦旋光束的方法，其步驟：(1)采用在源平面(z=0m)坐標(biāo)系中單環(huán)的拉蓋爾高斯(LG)渦旋光束；(2)將渦旋光束的復(fù)振幅進(jìn)行共軛對(duì)稱延拓，得共軛對(duì)稱的渦旋光束復(fù)振幅分布；(3)將共軛對(duì)稱的渦旋光束復(fù)振幅分布進(jìn)行傅里葉變換得到二維離散的實(shí)函數(shù)分布，對(duì)實(shí)函數(shù)進(jìn)行直流分量抑制，編碼成渦旋光束計(jì)算全息圖；(4)對(duì)計(jì)算全息圖進(jìn)行Fourier反變換，得渦旋光束的光強(qiáng)分布和相位分布，將光強(qiáng)分布和相位分布的左半部作為數(shù)字重建的渦旋光束。(5)將渦旋光束計(jì)算全息圖加載在空間光調(diào)制器上，對(duì)入射激光調(diào)制，光電重建渦旋光束。該方法采用共軛對(duì)稱延拓Fourier計(jì)算全息算法，，快速簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高，能產(chǎn)生無旁瓣高質(zhì)量的渦旋光束。
【專利說明】—種利用計(jì)算全息圖產(chǎn)生渦旋光束的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用計(jì)算全息圖產(chǎn)生渦旋光束的新方法。
【背景技術(shù)】
[0002]渦旋光束(vortex beam)是一種特殊形態(tài)的光束#，它具有螺線型相位因子項(xiàng)
卿口句,光學(xué)相位中心為相位奇點(diǎn)，在此光束自消干涉導(dǎo)致光強(qiáng)消失，/稱為渦旋光束的
拓?fù)潆姾蓴?shù)，相位梯度圍繞相位奇點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一周的梯度為2時(shí)。Alien在1992年P(guān)hysicalReview A雜志45(11): 8185-8189發(fā)表的“Orbital angular momentum of light and thetransformation of Laguerre-Gaussian laser modes”，該文證明了上述潤方定光束中每個(gè)
光子均攜帶6./?大小的軌道角動(dòng)量。
[0003]近年來，由于潛在的應(yīng)用價(jià)值，渦旋光束在光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用，渦旋光束的軌道角動(dòng)量傳遞給微觀粒子，應(yīng)用在束縛低折射率粒子，微觀粒子的旋轉(zhuǎn)、囚禁技術(shù)等領(lǐng)域，此外由于利用渦旋光束特殊的拓?fù)潆姾蓴?shù)進(jìn)行編碼，在量子信息編碼、量子計(jì)算方面得到廣泛應(yīng)用'
[0004]產(chǎn)生渦旋光束的方法主要有模式轉(zhuǎn)換法、螺旋相位板法54 (Spiral Phase Plate,SPP)和空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator, SLM)法&，當(dāng)前空間光調(diào)制器法的應(yīng)用較為廣泛，通過加載在空間光調(diào)制器的計(jì)算全息圖(Computer-Generated Hologram，CGH)對(duì)入射的激光束進(jìn)行調(diào)制，能夠?qū)崟r(shí)控制產(chǎn)生不同拓?fù)潆姾蓴?shù)的動(dòng)態(tài)渦旋光束。
[0005]基于空間光調(diào)制器法產(chǎn)生的渦旋光束往往存在旁瓣效應(yīng)，尤其在拓?fù)潆姾蓴?shù)較大的情況下，并且隨著拓?fù)潆姾蓴?shù)的增大，渦旋光束主亮環(huán)外圍的旁瓣愈發(fā)明顯。旁瓣的存在對(duì)渦旋光束的實(shí)際應(yīng)用帶來了相應(yīng)的影響，比如，在利用渦旋光束對(duì)微觀粒子進(jìn)行二維或三維操控時(shí)，利用渦旋光束的主亮環(huán)分布，由于外部旁瓣的存在，不但造成主亮環(huán)對(duì)比度的降低，而且還可能與附近的渦旋場(chǎng)發(fā)生干涉，因此需要盡可能地消除。
[0006]# S.M.Barnett and L Alien， “Orbital angular momentum and nonparaxiallight beams，” Opt.Commun.110(5)，670-678，1994 ；
* S.F.Arnold， L.Alien， M.Padgett.Advances in optical angularmomentum[J].Laser & Photonics Reviews, 2008，2(4): 299-313，2008 ；
% V.V.Kotlyar, A.A.Kovalev, R.V.Skidanov，0.Y.Moiseev, and V.A.Soifer, “Diffraction of a finite-radius plane wave and a Gaussian beam by ahelical axicon and a spiral phase plate，，，Opt.Soc.A，24(7)，1955-1964，2007 ；& A.S.0strovsky, C.R.Parrao, and V.Arrizon，“Generation of the“perfect，，optical vortex using a Iiquiu—crystal spatial light modulator，，，Opt.Lett.38(4)，534-536，2013 ；
~黃素娟，王朔中，于瀛潔，“共軛對(duì)稱延拓傅里葉計(jì)算全息，”物理學(xué)報(bào)，58 (2):952-958，2009。[0007]近年來，相關(guān)人員在渦旋光束的旁瓣抑制方面進(jìn)行了較多的研究，其相關(guān)文獻(xiàn)如下:
Guo 等在 2004 年出版的 Optics Express 雜志 12 (19): 4625-4634 發(fā)表的 “Optimalannulus structures of optical vortices” 一文提出了利用環(huán)形螺旋相位結(jié)構(gòu)來抑制旁瓣，并通過數(shù)值擬合得到了最佳環(huán)形螺旋相位結(jié)構(gòu)。
[0008]Lin 等在 2006 年出版的 Optics Letters 雜志 31 (11): 1600-1602 發(fā)表的^Variable-radius focused optical vortex with suppressed sidelobes，，一文中米用徑向調(diào)制環(huán)形螺旋相位結(jié)構(gòu)的方法來抑制渦旋光束的旁瓣。
[0009]Chen 等在 2009 年出版的 Optics Letters 雜志 34 (12): 3289-329I^Generalizedapproach to modifying optical vortices with suppressed sidelobes usingBessel-like functions”一文中通過對(duì)螺旋相位結(jié)構(gòu)加載可變的類-貝塞爾函數(shù)并通過基于SLM的光電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，高效地抑制了渦旋光束旁瓣的存在。
[0010]以上文獻(xiàn)中所述 的幾種方法能對(duì)光學(xué)渦旋的旁瓣進(jìn)行抑制，但不能完全地消除旁瓣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提出一種利用計(jì)算全息圖產(chǎn)生渦旋光束的方法，該方法采用共軛對(duì)稱延拓Fourier計(jì)算全息算法~，無需引入?yún)⒖脊獠ㄅc物光波干涉，對(duì)入射激光進(jìn)行調(diào)制快速、簡(jiǎn)單、靈活，計(jì)算效率高。
[0012]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種利用計(jì)算全息圖產(chǎn)生渦旋光束的方法，具體步驟如下:
(1)、采用在源平面(Z= O ?)坐標(biāo)系中單環(huán)的拉蓋爾高斯(Laguerre-Gaussian, LG)渦旋光束，該渦旋光束的復(fù)振幅由幅度和相位兩部分組成；
(2)、將LG潤旋光束的復(fù)振幅進(jìn)行共輒對(duì)稱延拓，獲得共輒對(duì)稱延拓后的潤旋光束的復(fù)振幅；
(3)、對(duì)共軛對(duì)稱延拓后的渦旋光束的復(fù)振幅進(jìn)行二維傅里葉變換，得到二維離散的實(shí)函數(shù)，對(duì)二維離散的實(shí)函數(shù)進(jìn)行直流分量抑制，將其映射到O~255區(qū)間，編碼成8比特的渦旋光束的計(jì)算全息圖；
(4)、對(duì)步驟(3)所述的計(jì)算全息圖進(jìn)行Fourier反變換，取模值后獲得共軛對(duì)稱延拓后的潤旋光束的光強(qiáng)分布，取相位角獲得共軛對(duì)稱延拓后的潤旋光束的相位分布，光強(qiáng)分布和相位分布的左半部分即為數(shù)字重建的渦旋光束；
(5)、將上述步驟(3)中得到的計(jì)算全息圖加載在空間光調(diào)制器上，對(duì)入射激光進(jìn)行調(diào)制，光電重建渦旋光束。
[0013]上述步驟⑴所述的在源平面(z = O ?)坐標(biāo)系中單環(huán)的拉蓋爾高斯(Laguerre-Gaussian, LG)渦旋光束，其中拓?fù)潆姾蓴?shù)為7的渦旋光束光強(qiáng)分布和相位分布，具體為:
【權(quán)利要求】
1.一種利用計(jì)算全息圖產(chǎn)生渦旋光束的方法，其特征在于，該方法具體步驟如下: (1)、采用在源平面(Z= O ?)坐標(biāo)系中單環(huán)的拉蓋爾高斯(LG)渦旋光束，該渦旋光束的復(fù)振幅由幅度和相位兩部分組成； (2)、將LG潤旋光束的復(fù)振幅進(jìn)行共輒對(duì)稱延拓，獲得共輒對(duì)稱延拓后的潤旋光束的復(fù)振幅； (3)、對(duì)共軛對(duì)稱延拓后的渦旋光束的復(fù)振幅進(jìn)行二維傅里葉變換，得到二維離散的實(shí)函數(shù)，對(duì)二維離散的實(shí)函數(shù)進(jìn)行直流分量抑制，將其映射到O~255區(qū)間，編碼成8比特的渦旋光束的計(jì)算全息圖； (4)、對(duì)步驟(3)所述的計(jì)算全息圖進(jìn)行Fourier反變換，取模值后獲得共軛對(duì)稱延拓后的潤旋光束的光強(qiáng)分布，取相位角獲得共軛對(duì)稱延拓后的潤旋光束的相位分布，光強(qiáng)分布和相位分布的左半部分即為數(shù)字重建的渦旋光束； (5)、將上述步驟(3)中得到的計(jì)算全息圖加載在空間光調(diào)制器(SLM)上，對(duì)入射激光進(jìn)行調(diào)制，光電重建渦旋光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用計(jì)算全息圖產(chǎn)生渦旋光束的方法，其特征在于，上述步驟(1)所述的在源平面(z = O ?)坐標(biāo)系中單環(huán)的拉蓋爾高斯(Laguerre-Gaussian, LG)渦旋光束，其中拓?fù)潆姾蓴?shù)為I的渦旋光束光強(qiáng)分布和相位分布，具體為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用計(jì)算全息圖產(chǎn)生渦旋光束的方法，其特征在于，上述步驟(2)所述的將LG渦旋光束的復(fù)振幅進(jìn)行共軛對(duì)稱延拓，獲得共軛對(duì)稱延拓后的渦旋光束的復(fù)振幅f(m，η)，其分布式為:

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用計(jì)算全息圖產(chǎn)生渦旋光束的方法，其特征在于，上述步驟(3)所述的對(duì)共軛對(duì)稱的渦旋光束復(fù)振幅分布進(jìn)行二維離散傅里葉變換，得到二維離散的實(shí)函數(shù)，其表達(dá)式為:
【文檔編號(hào)】G02B27/09GK103984103SQ201410054141
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】黃素娟, 賀超, 王廷云, 谷婷婷 申請(qǐng)人:上海大學(xué)