[发明专利]一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备装置

说明书

本发明涉及一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备装置。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，矩阵螺旋相位板是一种用于制备涡旋光的透明光学衍射元件。它包括激光器、起偏器、偏振分光棱镜、矩阵螺旋相位板、四分之一波片、反射镜和图像传感器。本装置光路简洁，成本低廉，转化效率高，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数的涡旋光制备。

技术领域

本发明涉及一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备装置。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，矩阵螺旋相位板是一种用于制备涡旋光的透明光学衍射元件。通过矩阵螺旋相位板多通的方式可制得大拓扑荷数涡旋光。本装置光路简洁，效率高，属于涡旋光制备领域，可应用于大拓扑荷数的涡旋光制备。

技术背景

涡旋光是一类等相位面呈螺旋状的光束，具有轨道角动量。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，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。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；空间光调制器体积小，制备出的涡旋光质量高，但是该器件造价昂贵，对入射角度、入射光功率均有限制；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。

矩阵螺旋相位板法可以弥补以上制备方法的不足，该方法能量转换效率高，能够制备出大拓扑荷数涡旋光。该方法结构简单，应用广泛，但矩阵螺旋相位板一旦制成，只能产生特定拓扑荷数的涡旋光。制备多种拓扑荷数的涡旋光，需要购买多种组合的涡旋光矩阵螺旋相位板，增加实验室经费负担，若可以利用现有矩阵螺旋相位板进行多种拓扑荷数制备将极大提高实验室器件利用效率。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有矩阵螺旋相位板仅能制备特定拓扑荷数涡旋光的不足，提出了一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备装置，本装置光路简洁，成本低廉，转化效率高，能轻松完成当前矩阵螺旋相位板所能制得涡旋光拓扑荷数的加倍。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于矩阵螺旋相位板多通的涡旋光制备装置，它包括激光器1、起偏器2、偏振分光棱镜3、矩阵螺旋相位板6、四分之一波片7、反射镜一4、反射镜二5、反射镜三8、反射镜四11、分光棱镜9和图像传感器10。由反射镜三8改变涡旋光旋向，使涡旋光拓扑荷数由l变号为-l，反向通过矩阵螺旋相位板时获得螺旋相位因子exp(-ilθ)，出射时完成拓扑荷数的负数加倍，即出射时制备的涡旋光拓扑荷数为-2l，其中θ为方位角。通过起偏器2、偏振分光棱镜3、四分之一波片7和反射镜三8完成了加倍涡旋光拓扑荷数过程中的偏振态控制，理论上，使得涡旋光由偏振分光棱镜3完全反射，提高了涡旋光制备效率，减少了损耗，装置示意如图1所示。

本发明的原理是：

经过起偏器后的涡旋光其偏振态为线偏振光，入射四分之一波片产生同相位的e光和o光，出射时产生相位差为φ，振幅分别为A_e、A_o的两涡旋光，其合成光矢量端点轨迹方程为：

经四分之一波片产生的光程差为△＝(m+1/4)λ,m＝0,±1,±2,…，它的相位差为：

φ＝(2m+1)π/2,m＝0,±1,±2,… (2)

将公式(2)代入(1)得：

该方程为标准椭圆方程，当入射光为π/4时，出射光为一圆偏振光，其方程为：

其中，E₁、E₂为涡旋光振幅表达式。