一种涡旋光束阵列的生成方法和装置

技术领域

本发明属于光学整形领域，具体涉及一种涡旋光束阵列的生成方法和装置。

背景技术

涡旋光束是一种暗中空光场，相位为螺旋结构，且光束中心存在相位奇点。1992年，Allen等人证明了这种光束的每个光子具有

在这些应用中，涡旋光束阵列的生成是极其重要的。目前常见的生成方法主要是利用空间光调制器，超表面和多螺旋相位板等。使用空间光调制器，采用光束整形的方式来生成涡旋光束阵列，但是空间光调制器不能承受高功率，而且衍射效率极低。采用超表面和多螺旋相位板虽然提高了衍射效率，但是造价昂贵，而且随着涡旋阵列的维度增加，器件的制造难度也会增加。因此，一种低成本，高效的涡旋光束阵列的生成方法是需要的。

发明内容

本发明的目的在于解决上述测量方法的不足，提出了使用微透镜阵列生成涡旋光束阵列的方法和装置。

本发明采用的技术方案为：一种涡旋光束阵列的生成方法，该方法包括步骤如下：

步骤1：激光器发射高斯光束；

步骤2：发射的高斯光束经过螺旋相位板，转换为涡旋光束；

步骤3：转换的涡旋光束在经过微透镜阵列，光场被空间分割，然后继续传输；

步骤4：使用透镜，在焦面上观察涡旋光束阵列，或者直接在远场观察；

其中，采用微透镜阵列的目的，是将涡旋光场分割，各子光束继续传输时会相干叠加在远场形成涡旋光束阵列。

一种涡旋光束阵列的生成装置，包括激光器，扩束准直器，螺旋相位板，微透镜阵列，透镜，CCD，计算机；激光器和CCD之间依次放置扩束准直器，螺旋相位板，微透镜阵列透镜。

进一步地，所述的激光器用于产生基模高斯光束。

进一步地，所述的扩束准直器用于将入射的高斯光束进行扩束。

进一步地，所述的螺旋相位板用于生成涡旋光束，可使用空间光调制器加载螺旋相位代替

进一步地，所述的微透镜阵列用于将涡旋光束分割，可使用空间光调制器加载透镜相位阵列来代替。

进一步地，所述的透镜用于得到远场光场，也可以不使用透镜，在远距离处来获取远场信息。

进一步地，所述CCD位于透镜的焦面上，用于采集焦面上的光场。

进一步地，所述的计算机用于观测CCD采集到的光场。

本发明原理在于：一种涡旋光束阵列的生成方法和装置，其为使用微透镜阵列将单束涡旋光束整形为涡旋光束阵列的方法和装置，入射光束为单束涡旋光束，经过微透镜阵列后，被分割成带有部分螺旋相位结构的子光束，这些子光束在传输过程中相干叠加，在远场会形成涡旋光束阵列，而且涡旋光束阵列中的每个子光束的拓扑荷数与入射涡旋光束的拓扑荷数一致。通常使用透镜，在焦面上观察远场光场。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的一种涡旋光束阵列的生成方法和装置，可以通过切换不同参数的微透镜阵列来生成不同维度的涡旋光束阵列。

(2)本发明的一种涡旋光束阵列的生成方法和装置，具有光能利用率高的优点。

(3)本发明的一种涡旋光束阵列的生成方法和装置，成本低，系统高效，结构简单。

附图说明

图1是本发明生成涡旋光束阵列的装置示意图。

图2是采用d＝0.36mm，f＝27mm的微透镜阵列生成的涡旋光束阵列，图2(a)是拓扑荷数等于1的涡旋光束阵列，图2(b)是采用倾斜透镜的测量结果。

图3是采用d＝0.36mm，f＝27mm的微透镜阵列生成的涡旋光束阵列，图3(a)是拓扑荷数等于2的涡旋光束阵列，图3(b)是采用倾斜透镜的测量结果。

图4是采用d＝0.15mm，f＝12mm的微透镜阵列生成的涡旋光束阵列，图4(a)是拓扑荷数等于1的涡旋光束阵列，图4(b)是采用倾斜透镜的测量结果。

图5是采用d＝0.15mm，f＝12mm的微透镜阵列生成的涡旋光束阵列，图5(a)是拓扑荷数等于2的涡旋光束阵列，图5(b)是采用倾斜透镜的测量结果。

图1中：1-激光器、2-扩束准直器、3-螺旋相位板、4-微透镜阵列、5-透镜、6-CCD、7-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步说明

下面结合附图，简要介绍本发明的一种涡旋光束阵列的生成方法和装置。如图1所示，激光器1出射的高斯光束，经过扩束准直器2后，得到平行光束，然后通过螺旋相位板3，生成涡旋光束，生成的涡旋光束被微透镜阵列4分割，被分割的子光束继续向前传输，在空间中相干叠加，在远场得到涡旋光束阵列，通过透镜5，在焦面上得到远场光场，利用CCD6进行采集，并在计算机7上观察生成的涡旋光束阵列。

其中，激光器1生成的高斯光束经过螺旋相位板3得到的光场E(x,y)可以表示为如下：

其中，(x,y)是输入面的空间直角坐标，ω是高斯光束束腰，i是虚数，l是涡旋光束的拓扑荷数。微透镜阵列4的透过率函数T

其中，k＝2π/λ是波数，λ是波长，d是每个子透镜的尺寸，f是微透镜阵列的焦距。

公式(1)的光场经过微透镜阵列后，再经过透镜5聚焦，可以用傅里叶变换来表述：

根据傅里叶变换与卷积的性质，公式(3)可以进行如下变换：

公式(4)中，(f

实施例1：本实施例展示了实验生成的拓扑荷数为1和2的涡旋光束阵列，采用的微透镜参数为，小透镜尺寸d＝0.36mm，焦距f＝27mm。

本实施例中，透镜5的焦距f＝300mm。通过更换拓扑荷数等于1和2的螺旋相位板，得到了拓扑荷数等于1和2的涡旋光束阵列，如图2(a)和图3(a)所示。此外，为了验证得到的涡旋光束阵列具有对应的拓扑荷信息，采用倾斜透镜，将其转换为厄米-高斯光束阵列，如图2(b)和图3(b)所示。在图2(b)中，转换得到的厄米-高斯光束阵列中的每个厄米-高斯光束具有相同的模式，且两端亮斑之间存在1条暗条纹，对应的拓扑荷信息等于1。在图3(b)中，转换得到的厄米-高斯光束阵列中的每个厄米-高斯光束也具有相同的模式，且两端亮斑之间存在2条暗条纹，对应的拓扑荷信息等于2。

实施例2：本实施例展示了实验生成的拓扑荷数为1和2的涡旋光束阵列，采用的微透镜参数为，小透镜尺寸d＝0.15mm，焦距f＝12mm。

本实施例中，在实施例1的基础上更换了不同参数的微透镜阵列，其他操作不变。实验结果较好，得到了对应拓扑荷数的涡旋光束阵列，如图4和图5所示。对比图2和图4，图3和图5，采用不同参数的微透镜阵列，会得到不同维度和不同空间频率的涡旋光束阵列，与理论相符。

从上述实施例中可以看出，本发明提出的方法仅使用一个微透镜阵列即可生成光束质量很高的涡旋光束阵列，操作简单，系统高效。

本发明不局限于上述的具体实施方式，凡在本发明的精神和原则之内对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求保护范围内。