[发明专利]一种基于螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置

说明书

本发明涉及一种基于螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置。它包括激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、起偏器、消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、螺旋相位板、四分之一波片、第一反射镜、CCD、第二反射镜。首先，激光器产生高斯光束后，通过由两个凸透镜组成的准直系统对光束进行准直，而后使用偏振片起偏；之后经消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜，螺旋相位板完成第一次拓扑荷数加倍；经四分之一波片、第一反射镜反向入射螺旋相位板后完成第二次拓扑荷数加倍；之后经第二反射镜、偏振分光棱镜、螺旋相位板完成第三次拓扑荷数加倍；最后经四分之一波片、第一反射镜反向入射螺旋相位板后完成第四次拓扑荷数加倍；加倍后的涡旋光经偏振分光棱镜、消偏振分光棱镜射入CCD观察涡旋光强度分布。本装置结构简单，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螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，螺旋相位板是一种用于制备涡旋光的透明光学衍射元件。本装置结构简单，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。

技术背景

涡旋光是一种具有中空暗核，携带轨道角动量的特殊光场。涡旋光表达式中的角相位因子exp(ilθ)表征了涡旋光的螺旋相位分布，其中l为拓扑荷数，θ为方位角。自1992年Allen等人发现了涡旋光携带轨道角动量以来，许多科学家围绕涡旋光展开了研究。如今，涡旋光已在多个领域有重要应用，如量子通信技术、光学粒子操控、光学测量、光学成像等。

螺旋相位板(Spiral phase plate,SPP)是制备涡旋光的一种常用光学衍射元件。1994年，Berjersbergen等人采用SPP将一束TEM₀₀高斯光束变为了一束具有螺旋相位分布的涡旋光束。1996年，Turnbull等人采用SPP实现了毫米波段的厄米特-高斯模式向拉盖尔-高斯模式的转变。近年来，众多科学家围绕SPP展开了各项研究，2017年，辛璟焘等人结合萨格纳克干涉仪与螺旋相位板制备了矢量光束，2018年，C.L.Zhang等人利用螺旋相位片-波带片制备了长焦深涡旋光束。此外，SPP的制作方法和工艺也得到了长足的发展，2011年，范长江等人利用激光直写技术制作了高阶螺旋相位板，2015年，中国科学院光电技术研究所成功制备了拓扑荷数为1、3、10、20的高连续型螺旋相位板，2016年，Y.Chen等人结合透镜与螺旋相位板制备了毫米段波长的涡旋光束。

拓扑荷数是涡旋光的重要参数之一，制备大拓扑荷数涡旋光具有重要的现实意义。在量子通信中，信息的编码程度受限于拓扑荷数的大小，涡旋光拓扑荷数将直接决定光束携带信息量大小；在光学粒子操控领域，提高涡旋光拓扑荷数将增加中空暗核半径，有利于打破操控粒子体积、面积的限制；在光学测量和成像领域，提高拓扑荷数有助于提高检测的精度和灵敏度。本装置利用螺旋相位板对涡旋光束的偏振态进行控制，仅使用一块螺旋相位板就实现了涡旋光拓扑荷数的4重加倍，极大的提高了螺旋相位板的利用率，同时也为制备大拓扑荷数涡旋光提供了一种新的思路。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有螺旋相位板仅能制备特定拓扑荷数涡旋光的不足，提出了一种基于螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置，本装置结构简单，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。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于螺旋相位板的涡旋光拓扑荷数4重加倍装置，它包括激光器1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、起偏器4、消偏振分光棱镜5、偏振分光棱镜6、螺旋相位板7、四分之一波片8、第一反射镜9、CCD 10、第二反射镜11。结合起偏器4、偏振分光棱镜6、四分之一波片8和第一反射镜9，通过控制涡旋光的线偏振方向，可以使涡旋光在4重加倍期间全部由偏振分光棱镜6进行反射，不会因透射偏振分光棱镜6降低转化效率，理论上转化效率达到100％。

本发明的原理是：

(1)涡旋光拓扑荷数加倍原理