[发明专利]一种多边形部分相干涡旋光束产生系统及方法

说明书

本发明涉及光学技术领域，公开了一种多边形部分相干涡旋光束产生系统及方法，包括计算机以及沿光路依次设置的激光器、准直扩束元件、第一透镜、光束打散元件、第二透镜、高斯滤波片、空间光调制器、第三透镜，所述空间光调制器与计算机连接，所述计算机用于将反常幂指数涡旋光束的全息图加载至空间光调制器。本发明可以实时灵活调控部分相干涡旋光束的几何结构，本发明可以简单方便的产生这种多边形部分相干涡旋光束，因而在微粒操纵领域具有重要的应用价值。进一步可通过调控幂指数因子和螺旋因子的数值来实现椭圆形、三角形、四边形、五角星形的光强分布。其光强分布比传统部分相干涡旋光束具有较高的调控自由度，且保留了较高的能量。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种多边形部分相干涡旋光束产生系统及方法。

背景技术

涡旋光束是一种具有暗中空结构的特殊光束，近年来由于其携带轨道角动量，并在微粒操纵，光镊，光通信，光学测量和超分辨成像等领域具有重要的应用价值。因此逐渐吸引了科研人员的广泛关注。随着科学技术的日益发展，科研人员需要构建多种多样的涡旋光束，满足这些应用领域的特殊需求。涡旋光束的调控参量主要有振幅，相位，偏振，频率和相干性。激光的一大特点就是其具有高相干性，但是，在通过大气湍流，随机相位，或者旋转散射体之后，光束的相干性会得到一定的降低，我们把这种具有较低相干度的光束称之为部分相干光束。与完全相干光束相比，部分相干光束的更在广泛的存在与自然界，并且在实际的应用中具有一些独特的优势。例如，部分相干光束可以提高非线性光学过程中的传输效率，增强信噪比，降低误码率，实现微粒捕获，和鬼成像等应用。

部分相干涡旋光束是由Gori等人首次提出，可以用一系列相干的拉盖尔高斯模的非相干叠加来表示。此后，对于涡旋光束的研究从完全相干领域扩展到部分相干领域。不同于完全相干涡旋光束中心具有一个相位奇点导致其中心光强为零，对于部分相干涡旋光束，随着相干性的降低，其光强分布逐渐演化为高斯分布。此外，由于光强零点消失，部分相干涡旋光束不存在可见的相位奇点，但是其存在相干奇点，即交叉谱密度为零的点。并且，通过调控其相干性大小，完全相干涡旋光束中的相位奇点可以与部分相干涡旋光束中的相干奇点互相转化，交叉谱密度函数中参考点的取值决定了相干奇点的位置。部分相干涡旋光束相比完全相干涡旋光束具有一些优势，例如，通过调控相干性的大小可以实现光强分布从空心到实心的整形，从而可以利用空心光强捕获低折射率粒子，实心光强捕获高折射率粒子，并且部分相干涡旋光束在自由空间光通讯领域中，可以克服传输引起的光强闪烁和光束扩展效应，以及其特有的关联函数具有较强的自修复能力。因此，构建新型的部分相干涡旋光束在基础科学研究和实际应用中是非常重要的。

目前对构建新型的部分相干涡旋光束的方法主要有两种，第一种对涡旋光束的相位进行调控产生分数阶部分相干涡旋光束(Zeng,J.,et al.(2018).Partially coherentfractional vortex beam.Optics Express26(21):26830)，第二种对部分相干光束的空间关联函数进行调控构建特殊关联部分相干涡旋光束，例如拉盖尔-高斯关联部分相干涡旋光束(Chen Y.H.,et al.(2014).“Experimental demonstration of a Laguerre-Gaussian correlated Shell-model vortex beam”Optics Express22(5):5826-5838)。

第一种，对于传统的具有高斯关联函数结构的整数阶部分相干涡旋光束，其螺旋相位在一个周期内的改变量是2π的整数倍，即其拓扑荷数为整数，产生的光强分布在高相干情况下为圆环，随着相干度降低变为高斯分布的光斑。当拓扑荷数不为整数时，可以产生具有缺口的部分相干分数阶涡旋光束，实现了对其光强分布的整形。第二种，当部分相干涡旋光束的关联函数为拉盖尔-高斯关联时，其光强分布分别由涡旋相位，初始相干度和关联结构函数三者进行联合调控决定。当相干度很低时，光束主要由关联函数调控，因此其光强具有暗中空光强分布；随着相干度的升高，关联函数的调控效果降低，光强逐渐变为高斯分布；当相干度增加到很大时，关联函数不再起调制作用，此时主要由涡旋相位调控，因此光强又回到了暗中空结构。