基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术及光场调控领域，具体涉及一种基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置及方法。

背景技术

涡旋光是一种特殊的光束，由于其独有的螺旋相位光场空间结构并携带轨道角动量，因此近些年来在粒子操纵、光学编码和传输、光通信、光存储、激光加工等方面受到了广泛研究。

在此基础上，研究人员对分数阶的涡旋光进行了进一步的探索，分数阶涡旋光相比于传统整数阶涡旋光，因其涡旋数采用分数值，意味着它可以实现更丰富的角动量状态，为粒子操纵、光学信息和传输提供更多的选择。

目前与分数阶涡旋光相关的研究基本集中在可见光波段，对于近红外乃至中红外的涡旋光产生研究数量较少，因此，亟需一种能够产生中红外波段的分数阶矢量涡旋光的装置。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置及方法。

本发明提供了一种基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置，具有这样的特征，包括：

光束生成单元，用于生成偏振方向确定可控的线偏振光；

第一光学4f系统，用于分离线偏振光得到左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并过滤左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，保留其中的一个作为第一调制光，过滤的其中另一个作为第二调制光；

分束器，将第一调制光分割为供进入纯相位型空间光调制器的第一束，以及供进入第二光学4f系统的第二束；

纯相位型空间光调制器，将第一调制光的第一束进行编码相位以及编码涡旋阶数调制处理，得到第一分数阶涡旋光；

第二光学4f系统，用于重构第一调制光的第二束得到第二调制光；

涡旋玻片，其涡旋阶数与纯相位型空间光调制器的编码涡旋阶数一致，用于透过重构的第二调制光生成与第一分数阶涡旋光共轭的第二分数阶涡旋光，并叠加第一分数阶涡旋光以及第二分数阶涡旋光生成分数阶矢量涡旋光；

中红外光参量振荡器，用于调制分数阶矢量涡旋光的波长，得到中红外波段分数阶矢量涡旋光。

在本发明提供的基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置中，还可以具有这样的特征：其中，光束生成单元包括Nd：YAG纳秒脉冲激光器以及偏振片，Nd：YAG纳秒脉冲激光器用于发射波长为1064nm的泵浦光，泵浦光经过偏振片后输出偏振方向确定可变的线偏振光。

在本发明提供的基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一光学4f系统包括根据4f系统放置的完全相同的第一凸透镜以及第二凸透镜，第一凸透镜以及第二凸透镜之间设置第一滤波小孔；

第一滤波小孔设于第一凸透镜以及第二凸透镜的公共焦平面处，并可于第一凸透镜以及第二凸透镜的公共焦平面的x、y轴方向移动调节，第一滤波小孔的孔径大小以及位置根据需要保留和过滤的偏振模式对应调节。

在本发明提供的基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置中，还可以具有这样的特征：其中，第二光学4f系统包括根据4f系统放置的完全相同的第三凸透镜以及第四凸透镜，第三凸透镜以及第四凸透镜之间设置第二滤波小孔；

第二滤波小孔设于第三凸透镜以及第四凸透的公共焦平面处，并可于第三凸透镜以及第四凸透的公共焦平面的x、y轴方向移动调节，第二滤波小孔的孔径大小以及位置根据需要重构的偏振模式对应调节。

在本发明提供的基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置中，还可以具有这样的特征：其中，还包括光路调整单元，设于第二光学4f系统以及涡旋玻片之间，用于调整第一分数阶涡旋光以及第二调制光的透视方向。

在本发明提供的基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置中，还可以具有这样的特征：其中，中红外光参量振荡器包括由第一发射镜、第二反射镜以及设于二者之间的非线性晶体构成的光参量振荡器，用于通过非线性效应使得分数阶矢量涡旋光的波长由近红外转换为中红外频段的信号光和闲频光；

还包括中红外反射镜、吸收材料以及小孔光阑，中红外反射镜用于视波长情况将信号光或者闲频光中需要过滤的一个反射至吸收材料，透过需要保留的另一个通过小孔光阑

在本发明提供的基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置中，还可以具有这样的特征：其中，中红外光参量振荡器还包括转台，转台上设置非线性晶体，用于旋转非线性晶体的角度，调整得到与中红外波长匹配的角相位。

在本发明提供的基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一发射镜、第二反射镜朝向非线性晶体的一面镀增透膜，增透膜的波长根据非线性晶体产生的中红外光的波长设定，中红外反射镜镀增透膜。

在本发明提供的基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置中，还可以具有这样的特征：其中，非线性晶体的材质包括产生1.5～3μm的准相位匹配非线性晶体Mgo:PPLN，或者产生1.3～4.2μm的非临界相位匹配晶体KTP。

本发明还提供一种基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置，具有这样的特征，包括如下步骤：

提供基于模式提取技术产生中红外波段分数阶涡旋光的装置；

生成偏振方向确定可控的线偏振光；

分离线偏振光得到左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，过滤左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，保留其中的一个作为第一调制光，过滤的其中另一个作为第二调制光；

将第一调制光分割为供进入纯相位型空间光调制器的第一束，以及供进入第二光学4f系统的第二束；

将第一调制光的第一束进行编码相位以及编码涡旋阶数调制处理，得到第一分数阶涡旋光；

重构第一调制光的第二束得到第二调制光；

生成与第一分数阶涡旋光共轭的第二分数阶涡旋光，叠加第一分数阶涡旋光以及第二分数阶涡旋光生成分数阶矢量涡旋光；

调制分数阶矢量涡旋光的波长，得到中红外波段分数阶矢量涡旋光。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置及方法，通过空间光调制器的模式提取技术以及不对称调制，将近红外波段的泵浦光源通过第一光学4f系统分离出左旋圆和右旋圆偏振模式，过滤后通过纯相位空间光调制器对涡旋阶数、相位、振幅调制得到第一分数阶涡旋光，再通过第二光学4f系统重构后通过涡旋玻片调制后形成与第一分数阶涡旋光共轭的第二分数阶涡旋光，将第一分数阶涡旋光以及第二分数阶涡旋光叠加形成分数阶矢量涡旋光，通过中红外光参量振荡器能够产生中红外波长的分数阶矢量涡旋光。

附图说明

图1是本发明的实施例中基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例中基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置及方法作具体阐述。

<实施例一>

图1为本发明的实施例中基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置的结构示意图。

请参考图1，本发明提供一种基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置，包括光束生成单元10，用于生成偏振方向确定可控的线偏振光；第一光学4f系统20，用于分离线偏振光得到左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并过滤左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，保留其中的一个作为第一调制光，过滤的其中另一个作为第二调制光；分束器30，将第一调制光分割为供进入纯相位型空间光调制器40的第一束，以及供进入第二光学4f系统50的第二束；纯相位型空间光调制器40，将第一调制光的第一束进行编码相位以及编码涡旋阶数调制处理，得到第一分数阶涡旋光；第二光学4f系统50，用于重构第一调制光的第二束得到第二调制光；涡旋玻片60，其涡旋阶数与纯相位型空间光调制器40编码涡旋阶数一致，用于透过重构的第二调制光生成与第一分数阶涡旋光共轭的第二分数阶涡旋光，并叠加第一分数阶涡旋光以及第二分数阶涡旋光生成分数阶矢量涡旋光；中红外光参量振荡器70，用于调制分数阶矢量涡旋光的波长，得到中红外波段分数阶矢量涡旋光。

光束生成单元10包括泵浦光源11以及起偏器12，其中，泵浦光源11采用Nd：YAG纳秒脉冲激光器，Nd：YAG纳秒脉冲激光器用于发射波长为1064nm的泵浦光，起偏器12采用偏振片，用于将泵浦光通过偏振片后输出偏正方向确定可变的线偏振光。

第一光学4f系统20包括完全相同的两个透镜组成透镜组，即第一凸透镜21以及第二凸透镜22，第一凸透镜21以及第二凸透镜22构成4f传递系统，第一凸透镜21以及第二凸透镜22之间设置第一滤波小孔23，第一滤波小孔23位于第一凸透镜21以及第二凸透镜22的公共焦平面24上，第一滤波小孔23可在该公共焦平面24上沿X、Y轴方向移动调节，第一滤波小孔23的孔径大小以及位置根据需要保留或过滤的偏振模式对应调节。第一滤波小孔23根据纯相位型空间光调制器40上加载的相位图包括的具有拓扑荷数的偏振模式决定其孔径以及位置，例如需要保留的是左旋圆偏振光，位于中心，而需要过滤的是右旋圆偏振光，位于外环，则将第一滤波小孔23大小以及位置进行调整，使其能够满足上述要求保留左旋圆偏振光作为第一调制光，过滤右旋圆偏振光作为第二调制光。

分束器30采用分光棱镜，透过第一调制光形成供进入纯相位型空间光调制器的第一束，反射第一调制光形成供进入第二光学4f系统的第二束，其中，第一调制光的第二束。

纯相位型空间光调制器40可以连接计算机，通过计算机编码分数阶涡旋光的相位图像，并将计算所得的涡旋相位加载到纯相位型空间光调制器上。其中，所编码的分数阶涡旋光的涡旋阶数、振幅可调整变化，以此实现对分数阶涡旋光的光束的相位、振幅和涡旋阶数调制，得到的具有拓扑荷数的相位图包括具有拓扑荷数的偏振模式。

可继续参考图1，第二光学4f系统50同样包括完全相同的两个透镜组成透镜组，即第三凸透镜51以及第四凸透镜52，第三凸透镜51以及第四凸透镜52构成4f传递系统，第三凸透镜51以及第四凸透镜52之间设置第二滤波小孔53，第二滤波小孔53位于第三凸透镜51以及第四凸透镜52的公共焦平面54上，第二滤波小孔53可在该公共焦平面54上沿X、Y轴方向移动调节，第二滤波小孔53的孔径大小以及位置根据重构的偏振模式对应调节。第二滤波小孔53根据纯相位型空间光调制器40上加载的相位图包括的具有拓扑荷数的偏振模式决定孔径和位置，通过傅里叶逆变换的原理，将第一调制光的第二束重构为上述过滤掉的第二调制光，第二调制光与纯相位型空间光调制器的第一分数阶涡旋光共轭。

涡旋波片60的涡旋阶数与纯相位型空间光调制器加载的编码涡旋阶数保持一致，通过对纯相位型空间光调制器40的编码，保证通过纯相位型空间光调制器40和涡旋波片60的光斑直径一致，但涡旋波片60与纯相位型空间光调制器40面完全共轭，以此透过重构的第二调制光生成与第一分数阶涡旋光共轭的第二分数阶涡旋光，将第一分数阶涡旋光以及第二分数阶涡旋光精确叠加，得到分数阶矢量涡旋光。

在第二光学4f系统50和涡旋波片60之间，还包括光路调整单元80，用于调整第一分数阶涡旋光以及第二调制光的透视方向。

中红外光参量振荡器70包括由第一发射镜71、第二反射镜72以及设于二者之间的非线性晶体73构成的光参量振荡器，用于通过非线性效应使得分数阶矢量涡旋光的波长由近红外转换为中红外频段的信号光和闲频光；中红外光参量振荡器70还包括中红外反射镜74、吸收材料75以及小孔光阑76，中红外反射镜74用于视波长情况将信号光或者闲频光中需要过滤的一个发射至吸收材料75，并透过需要保留的另一个通过小孔光阑76。

中红外光参量振荡器70还包括转台77，转台77上设置非线性晶体73，用于旋转非线性晶体73的角度，调整得到与中红外波长匹配的角相位，基于非线性晶体73的相位匹配方式，通过旋转转台77的角度，得到所需的中红外波长的分数阶矢量涡旋光。其中，第一发射镜71、第二反射镜72朝向非线性晶体73的一面镀增透膜，增透膜的波长根据非线性晶体73产生的中红外光的波长设定，中红外反射镜同样镀该增透膜。非线性晶体的材质包括产生1.5～3μm的准相位匹配非线性晶体Mgo:PPLN，或者产生1.3～4.2μm的非临界相位匹配晶体KTP。具体材料选择视所需要的中红外光波长而决定。

<实施例二>

图2是本发明的实施例基于模式提取技术产生中红外波段分数阶涡旋光的方法的步骤流程图。

如图2所示，本发明还提供一种基于模式提取技术产生中红外波段分数阶涡旋光的方法，包括：

步骤S1：提供基于模式提取技术产生中红外波段分数阶涡旋光的装置。

步骤S2：生成偏振方向确定可控的线偏振光。

步骤S3：分离线偏振光得到左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，过滤左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，保留其中的一个作为第一调制光，过滤的其中另一个作为第二调制光。

步骤S4：将第一调制光分割为供进入纯相位型空间光调制器的第一束，以及供进入第二光学4f系统的第二束。

步骤S5：将第一调制光的第一束进行编码相位以及编码涡旋阶数调制处理，得到第一分数阶涡旋光。

步骤S6：重构第一调制光的第二束得到第二调制光。

步骤S7：生成与第一分数阶涡旋光共轭的第二分数阶涡旋光，叠加第一分数阶涡旋光以及第二分数阶涡旋光生成分数阶矢量涡旋光。

步骤S8：调制分数阶矢量涡旋光的波长，得到中红外波段分数阶矢量涡旋光。

应当理解，图2中描述的基于模式提取技术产生中红外波段分数阶涡旋光的方法各个步骤可以与图1示意图中的装置包括的各个部分相对应。由此，上面针对装置的各个部分的描述的操作、特征和优点同样适用于方法的各个步骤。为了简洁起见，某些操作、特征和优点在此不再赘述。

本实施例中，未详细说明的部分为本领域的公知技术。

实施例的作用与效果

本发明提供的基于模式提取产生中红外波段分数阶涡旋光的装置及方法，通过空间光调制器的模式提取技术以及不对称调制，将近红外波段的泵浦光源通过第一光学4f系统分离出左旋圆和右旋圆偏振模式，过滤后通过纯相位空间光调制器对涡旋阶数、相位、振幅调制得到第一分数阶涡旋光，再通过第二光学4f系统重构后通过涡旋玻片调制后形成与第一分数阶涡旋光共轭的第二分数阶涡旋光，将第一分数阶涡旋光以及第二分数阶涡旋光叠加后形成分数阶矢量涡旋光，并通过中红外光参量振荡器产生中红外波长的分数阶矢量涡旋光。

进一步地，第一光学4f系统以及第二光学4f系统之间均设置能够在焦平面沿X、Y轴移动调节的滤波小孔，滤波小孔的孔径和位置根据纯相位空间光调制器的相位图包括的具有拓扑荷数的偏振模式决定，能够灵活调整保留、过滤、重构的偏振模式。

进一步地，中红外光参量振荡器中通过转台的旋转设计实现了角相位的匹配，通过旋转转台角度，能够灵活调整得到所需的分数阶矢量涡旋光的中红外波段的波长。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。