[发明专利]一种基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法

说明书

本发明涉及一种基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，交叉相位是一种特殊的光场相位结构。首先，利用多参量联合调控技术制备携带厄米特高斯光信息与交叉相位的全息图样并加载到空间光调制器，一束线偏振高斯光照射到空间光调制器，出射光传播一段距离后转化为拉盖尔高斯光，即实现大拓扑荷数涡旋光的制备；同理，当全息图样携带拉盖尔高斯光信息与交叉相位时，出射光传播一段距离后转化为厄米特高斯光，计算其模数即可检测涡旋光的拓扑荷数和径向节数。本方法光路简洁，灵活性强，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数涡旋光的制备与检测。

技术领域

本发明涉及一种基于交叉相位的大拓扑荷数涡旋光制备与检测方法，涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，交叉相位是一种特殊的光场相位结构，利用多参量联合调控技术制备携带高斯光信息与交叉相位的全息图，并运用空间光调制器可以实现大拓扑荷数涡旋光的制备与检测。本方法光路简洁，灵活性性强，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数涡旋光的制备与检测。

技术背景

涡旋光是一种具有螺旋波阵面和特殊光强分布的光场，拉盖尔高斯光就是一种典型的涡旋光。近年来因涡旋光在光学操控、光通信、光学微测量等领域中具有广泛应用价值而饱受关注。光场中的涡旋现象最初由 Boivin、Dow和Wolf于1967年在透镜组的焦平面附近发现。1973年， Bryngdahl首次开展了对制备涡旋光实验方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用连续激光成功制备了涡旋光。1990年Yu、Bazgenov V首次使用光栅法完成了涡旋光的制备。

涡旋光的相位中含有角相位因子exp(ilθ)，其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，θ为方位角，该角相位因子说明涡旋光在传播过程中，若绕光轴传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2πl；螺旋形相位的中心是一个相位奇点，该处的相位不确定，并且光场振幅为零，因此在光场中心处形成了中空暗核。

涡旋光制备方法的研究是开展涡旋光实验研究的基础。常用的涡旋光制备方法有模式转换法、计算全息法、空间光调制器法、Q板法和矩阵螺旋相位板法。

计算全息法由Bazhenov教授于1989年提出，2010年齐晓庆等人利用相位型衍射光栅产生能量按比例分布的多个螺旋光束。1999年，德国科学家Reicherter M设想通过空间光相位调制器制备涡旋光，2009年 Sciarrino、Fabio实现了这一方法的应用，2013年Ostrovsky等使用特别的相位掩模板，利用空间光相位调制器得到了“完美”涡旋光。2012年，通过螺旋相位镜，澳大利亚科学家Fickler R实现了拓扑荷数为5000的涡旋光制备。

模式转换法成本低廉，对光功率没有严苛限制，但是该方法对于光路搭建的精度有极高的要求；计算全息法理论上可以制备出大拓扑荷数涡旋光，但是该方法转化效率低，不能产生单一模式的涡旋光；矩阵螺旋相位板法光路简洁，转化效率高，但大拓扑荷数的螺旋相位板加工精度要求高，且一旦制成，只能产生单一拓扑荷数的涡旋光束；Q板结构简单，响应速度快，方便快捷，但是目前仅能制备拓扑荷数较小的涡旋光。

目前常用的涡旋光检测手段主要有三种：干涉法、衍射法和模式转换法。干涉法主要利用平面波、球面波或手性涡旋光与涡旋光进行干涉；衍射法使涡旋光透射具有特定形状的小孔或光栅形成特殊的衍射光斑；模式转换法利用两组柱透镜使涡旋光转换为厄米特高斯模式，具有较好的鲁棒性。然而，上述前两种方法由于干涉或衍射条纹的密集分布，不适用于大拓扑荷数涡旋光的检测，第三种方法实验装置虽然简单但需要较大的实验精度才可实现。

在实验室环境下，空间光调制器法可以弥补上述不足，空间光调制器体积小，使用便利，通过控制加载的全息图像分离衍射级次，可以提高涡旋光质量，将交叉相位加载到空间光调制器即可实现光场模式转换，但传统空间光调制器法不能使用交叉相位进行大拓扑荷数涡旋光的制备与检测。

发明内容