[发明专利]产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法和系统

说明书

本发明涉及一种产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法和系统，为了得到在传输方向轴上拓扑荷数随着距离连续变化且随着波长变化的涡旋光束而设计。本发明光束经过一螺旋狭缝结构，螺旋狭缝结构，所述螺旋狭缝结构为其上设有一透光、缺口的螺旋狭缝且螺旋狭缝以外其余部分不透光的光学件。在所述螺旋狭缝结构后生成在传输方向上拓扑荷数随着传输距离连续变化，且在传输方向上拓扑荷数随着波长变化的涡旋光束。本发明这样的纵向操控技术可以处理在遥感和多数据通信甚至数据加密中面临的很多挑战。

技术领域

本发明涉及一种产生局部分数阶贝塞尔涡旋光束的方法和系统。

背景技术

涡旋光束是具有螺线形相位分布的光束，其表达式中带有相位因子exp[ilθ]，光束中的每个光子携带l的轨道角动量，其中l称为拓扑荷数。由于涡旋光束具有轨道角动量l，所携带的轨道角动量可以传递给微粒，以驱动微粒旋转，还可实现对微米、亚微米微粒的俘获、平移，人们形象地把这种工具称为“光学扳手”。另外涡旋光束在信息编码上也有较大的应用前景，利用涡旋光束的轨道角动量可对信息进行编码与传输。这种新型的编码方式具有很多独特的优点：(1)由于拓扑荷数l的取值可以为整数，零，甚至分数，所以具有更高的编码能力。(2)具有更高的保密性。因而对涡旋光束拓扑荷数的测量具有很重要的意义。基于上述特性，涡旋光束在实现驱动粒子旋转、信息编码、生物医学、光信息传输上有较大的应用前景。

目前关于涡旋光束的研究主要局限于整数阶的涡旋光束，然而对分数阶涡旋光束的研究也具有很重要的意义。因为涡旋光束的分数阶取值可以使其具有更强的编码能力；这对于原子光学和量子信息光学是很重要的。不同于整数阶涡旋光束圆对称光强分布，分数阶涡旋光束的亮环上会出现缺口，在微粒子的操纵方面有更多应用。

贝塞尔光束是涡旋光束中最常用的一种涡旋光束模型，由于其具有特殊的无衍射及自愈性。迄今为止，分数阶贝塞尔涡旋光束的产生和传播特性不论是在理论和实验上都被广泛地研究。

产生分数阶涡旋光束的方法有：螺旋位相板法、轴棱锥转换法、空间光调制器产生法、拉盖尔高斯加权叠加法等。

螺旋位相板法[Oemrawsingh S S R,Eliel E R,Woerdman J P,et al.Half-integral spiral phase plates for optical wavelengths[J].Journal of Optics A:Pure and Applied Optics,2004,6(5):S288.]，它是利用螺旋位相板向具有平滑波前的光波中引入一定量的位错量从而产生波前位错，通过这样的螺旋位相板后生成分数阶涡旋光束。

轴棱锥转换法[Scott G,McArdle N.Efficient generation of nearlydiffraction-free beams using an axicon[J].Optical Engineering,1992,31(12):2640-2643.]主要是为了产生贝塞尔无衍射光束而制作的，是上述螺旋位相板方法的一个进化。它将基膜高斯光束经过分数阶螺旋位相板后产生分数涡旋光束，再透过轴棱镜后就产生了无衍射光束分数阶贝塞尔涡旋光束。

空间光调制器[S.H.Tao,W.M.Lee,and X.C.Yuan,“Dynamic opticalmanipulation with a higher-order fractional Bessel beam generated from aspatial light modulator,”Opt.Lett.28(20),1867–1869(2003).]是将相位信息加载到相位型空间光调制器上，从而得到所需要的分数阶涡旋光束。它与全息光栅不同的是，它将电脑上的图形同步加载到空间光调制器上，生成全息图，省去了制作全息光栅的过程。