[发明专利]一种复合光学涡旋的产生方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合光学涡旋的产生方法及其装置，是一种用角度复用体全息存 储方式实现多涡旋同轴叠加，通过光学涡旋与光学涡旋的叠加产生新的复杂涡旋的方 法。

背景技术

光学涡旋在近几十年中由于其独特的相位结构和拓扑特性在基础研究和应用研究 等领域均受到了广泛的关注。在光学领域，如果光波场的中心存在相位奇点，且相位 围绕该奇点呈螺旋连续变化，光波波前会绕在传播方向上的一条线以螺旋方式旋转， 形成螺旋形的波前，这非常类似于流体中的涡旋现象，因此这类光波被称为“光学涡 旋”(Optical Vortices)。

光学涡旋是一种独特的光场，其螺旋型波前和独特的相位结构及新颖的拓扑特性 使之可以产生较大的轨道角动量，目前已经成功地将其转移给微粒实现对微粒的操控。 一般用于微粒操控的光学涡旋多为波前中含有一个相位奇点的单个涡旋，而含有多个 相位奇点的多涡旋结构可进行多种独立的光学束缚。由于复合涡旋可产生新颖的拓扑 结构和强度分布，可满足多涡旋结构的要求，因此引起了广泛关注。

早在2003年I.D.Maleev和G.A.Swartzlander等人就分析了两个平行不共线的涡 旋叠加，描述了光学相位奇点随两涡旋的相对相位或幅值的变化情况，并得到涡旋产 生和湮灭的临界条件。近几年对光学涡旋的共线叠加研究逐渐增多，其中E.J.Galvez 领导的研究小组在2006-2009年间致力于此方面的研究，得出了两涡旋叠加后产生的 复合涡旋的分布规律。

多个涡旋的叠加产生新的涡旋分布，目前多从理论上研究多个涡旋在不同条件下 叠加产生复合涡旋的分布或其分布规律，而通过实验得到复合涡旋的介绍却很少，比 如E.J.Galvez领导的研究小组已在实验上利用两嵌套式的马赫-曾德(Mach-Zehnder) 干涉光路实现了两个涡旋(拓扑荷值为整数或小数)的同轴叠加。此方法便于分别控 制干涉臂上两光学涡旋的相对强度和相位，但调节两光学涡旋的平行和同轴较难，且 对于多个(＞2)涡旋的同轴干涉叠加实现起来难度更大。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种复合光学涡旋的产生方法及其装 置，通过角度复用体全息存储方式实现多涡旋同轴叠加，通过光学涡旋与光学涡旋的 叠加产生新的复杂涡旋的花样。

本发明的思想在于：采用角度复用多重体存储技术实现多个光学涡旋的同轴叠加 从而复合涡旋的方法及其装置，包括一利用角度复用技术实现多重体全息存储和再现 的光路，该光路可实现对多个不同光学涡旋的体全息存储与再现；以及一产生光学涡 旋的发生器件，该器件可根据要求产生不同的光学涡旋。通过计算机编程控制不同参 考光照射体全息记录介质以再现出不同涡旋组合以实现不同光学涡旋的同轴叠加来产 生复合涡旋。

技术方案

一种复合光学涡旋的产生方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将激光器出射的光分为两束相干光，其中一束进行涡旋调制形成涡旋光 束O₁；涡旋光束O₁与另一束参考光R₁以一夹角入射到体全息存储介质中得到第一幅 干涉体全息图；

步骤2：将参考光R₁偏转角度Δθ成为新的参考光R₂，将涡旋光束O₁进行涡旋调 制形成新的涡旋光束O₂，参考光R₂和涡旋光束O₂以新的夹角在体全息存储介质中的 同一位置干涉形成另一体全息图，完成第二幅信息的记录；所述偏转角Δθ为0.02度 到0.06度；

步骤3：利用体全息的布拉格选择性，重复n次步骤2，得到n幅体全息图；所述 的n＝涡旋光束与参考光束的角度差/Δθ；

步骤4：以记录第i幅体全息图相同的参考光R_i入射体全息存储介质中第i幅体 全息图记录位置，得到涡旋光束O_i的再现；

步骤5：将步骤4中得到的两幅以上的不同涡旋光束O_i进行同轴叠加得到复合涡 旋。

所述的体全息存储介质为透射式体全息存储介质、反射式体全息存储介质或邻面 入射式体全息存储介质。

当体全息存储介质为透射式体全息存储介质时，步骤1或步骤2中所述的夹角θ 和θ为30度到60度。