[发明专利]一种基于高阶交叉相位的多边形完美涡旋光制备与操控方法

说明书

本发明涉及一种基于高阶交叉相位的多边形完美涡旋光制备与操控方法。完美涡旋光是一种光束半径与拓扑荷数无关的涡旋光场，交叉相位是一种特殊的光场相位结构，可将完美涡旋光调控为多边形,3阶及以上称为高阶交叉相位。首先利用多参量联合调控技术制备携带完美涡旋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进行复振幅调制，出射光经过一个凸透镜，在透镜的后焦面上即可得到多边形完美涡旋光，调节高阶交叉相位参数可操控完美涡旋光的形状和光强分布。本方法光路简洁，灵活性强，属于涡旋光操控领域，可应用于多边形完美涡旋光制备与操控，以及微观粒子的光学操控。

技术领域

本发明涉及一种基于高阶交叉相位的多边形完美涡旋光制备与操控方法。完美涡旋光是一种光束半径与拓扑荷数无关的涡旋光场，交叉相位是一种特殊的光场相位结构，3阶及以上称为高阶交叉相位，高阶交叉相位可将完美涡旋光的光斑调控为多边形。首先利用多参量联合调控技术制备携带完美涡旋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进行复振幅调制，出射光经过一个凸透镜后，在凸透镜的后焦面上即可得到多边形完美涡旋光，高阶交叉相位可通过空间光调制器制备完美涡旋光、操控其形状和光强分布。本方法光路简洁，灵活性强，属于涡旋光操控领域，可应用于多边形完美涡旋光的制备与调控，在微观粒子的光学操控领域具有广泛应用前景。

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，完美涡旋光是一种光束半径与拓扑荷数无关的涡旋光场，即光束半径不随拓扑荷数的变化而变化，小半径的完美涡旋光可携带大拓扑荷数。这种特性能够弥补拉盖尔- 高斯光束和贝塞尔-高斯光束半径随拓扑荷数增大而增大的缺陷。近年来，完美涡旋光因具有特殊的性质和广泛应用价值，在光学操控、光通信、光学微测量等领域饱受关注。

完美涡旋光的相位中含有角相位因子exp(ilθ)，其中l为轨道角动量拓扑荷数，θ为方位角；每个光子携带的轨道角动量，为约化普朗克常数，该角相位因子说明完美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，因此在光场中心形成了中空暗核。普通的完美涡旋光通常由贝塞尔-高斯光束经过凸透镜进行傅里叶变换后获得，光斑与基模高斯光束同为圆形。因为需要精确对准，传统完美涡旋光的制备方法对光路提出了很高的要求。

交叉相位是一种特殊的光场相位结构，2阶交叉相位称为低阶交叉相位， 3阶及以上称为高阶交叉相位。目前，交叉相位作为一种新的相位结构，已经被用于拉盖尔-高斯光束、圆艾里光束等结构光束的制备与模式检测，同时也为涡旋光的操控提供了一种全新的途径。高阶交叉相位可在远场条件下实现任意涡旋光场的操控，然而完美涡旋光只能在透镜的焦平面上得到，因此将贝塞尔-高斯光束与高阶交叉相位结合，并使用凸透镜进行傅里叶变换，在凸透镜的后焦面上可实现多边形完美涡旋光的制备与操控。

多边形完美涡旋光的制备与操控对于拓展完美涡旋光的应用具有重要意义。多边形完美涡旋光不仅具有光束半径与拓扑荷数无关的特点，而且具有特殊的能量与相位分布，在微粒的复杂运动控制，光学通信等方面具有极高的应用价值。在实验室环境下，将交叉相位与空间光调制器结合实现多边形完美涡旋光的制备与操控具有诸多优点，空间光调制器体积小，使用便利，将携带完美涡旋光信息与高阶交叉相位的全息图样加载到空间光调制器，出射光经过一个凸透镜，在凸透镜的后焦面上即可实现多边形完美涡旋光的制备与操控。高阶交叉相位可实现多边形完美涡旋光的整形，其边数等于高阶交叉相位的阶数，与完美涡旋光自身的拓扑荷数无关，且光斑大小与拓扑荷数无关。同时，高阶交叉相位的阶数等于两个正整数指数之和，两个正整数指数的差异会影响多边形完美涡旋光的对称性，差异越小，对称性越强。调节高阶交叉相位的强度因子可在不改变光斑形状的条件下调控多边形完美涡旋光的光强分布和模式纯度，强度因子越大，光强分布越集中且均匀分布于多边形的各个顶点，模式纯度也越大。

发明内容