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平面波斜入射空间光调制器对产生完美涡旋光束的影响

时间:2018-09-25 编辑整理:任苗苗,刘思梦,李新忠,马海祥,张 浩 来源:早发表网

摘要:研究了平面波斜入射空间光调制器(SLM)时完美涡旋光束的变化。结合螺旋相位与锥透镜透过率函数 设计相位掩模板,在 SLM的傅里叶平面上产生完美涡旋光束。所产生的涡旋性质通过调控完美涡旋光束 ±1 级干涉得到了验证。改变平面波照射在 SLM上的入射角,完美涡旋光束离心率与平面波入射角为线性函数 关系,相关系数高达 0.986 72。此外,随着平面波入射角增大,完美涡旋光束总光强也随之变弱。

关键词:物理光学;光场调控;完美涡旋光束;空间光调制器;线性相关

0 引言

由于涡旋光束呈螺旋形相位分布且中心光强为零,因此,在微粒操控 、量子信息编码 、图像 处理等多个领域中得到了广泛的应用。然而,使用传统方法生成的涡旋光束,其光环半径随拓扑荷 值的增加而增大,这就使得涡旋光束在耦合、传输等领域的应用变得极为困难。

为了解决该问题,2013 年,文献[10]首次提出了完美涡旋光束的概念,即中心亮环半径不随拓扑荷 值增加而增大的涡旋光束,并提出了一种实验生成完美涡旋光束的技术,但是其生成的完美涡旋光束伴 随有额外的杂散光环。同年,文献[11 ]提出了一种利用锥透镜产生完美涡旋光束的生成技术,消除了 次级亮环的影响并进行了微粒操控,但实验中需要更换锥透镜来获得不同半径的完美涡旋光束。随后, 文献[12]基于计算全息技术,将锥透镜与涡旋项编码到一个全息掩模板上,实现了不同半径完美涡旋 光束的实时在线调控。2016 年,文献[13]比较了多种完美涡旋光束生成方案,提出了一种生成完美涡 旋光束的最佳相位元件。

上述技术均是从完美涡旋光束理论近似公式出发,逐渐完善完美涡旋光束的生成技术。但对于一 种光束的生成来说,决定光束质量的不仅仅是所使用表达式的近似程度,实验光路的设计对光束的生成 同样有很大影响。然而,关于实验光路的设计对完美涡旋光束的影响还未见报道。因此,本文使用文 [1 2]提出的锥透镜与涡旋项编码成一个掩模板,生成完美涡旋光束的技术方案,分析了被调制光 束入射角对生成完美涡旋光束的影响,得到了被调制光束入射角对完美涡旋光束离心率及光强的定 量关系。

1 完美涡旋光束的理论基础

 

 

2 实验装置

基于上述理论生成完美涡旋光束所对应的 实验装置原理图,如图 1 所示。由激光器发出 的光 束 经 针 孔 滤 波 器 (pinhole filter,PF)整 形 后,通过凸透镜 L1 与光阑 A1 得到平面波,之后 经过偏振片 P1 起偏后通过分束立方体 (beam splitter,BS)照射在写有相位掩模板的空间光调 制器 (spatial light modulator,SLM)上。在 SLM 的衍射空间经偏振片 P2 检偏后再现贝塞尔-高 斯光束。贝塞尔-高斯光束经凸透镜 L2 进行傅 里叶变换后产生完美涡旋光束,再经过光阑 A2,由位于透镜焦平面处的电荷藕合器件(charge coupled device,CCD)相机记录生成的完美涡旋光束光强分布。实验中,需将 SLM、CCD 相机放置于凸透镜 L2 的焦平面处。采用的激光器是北京镭志威光电技术有限企业生产的 LWGL532-100 mW-SLM型连续波 固体激光器,其功率为 50 mW,波长为 532 nm。使用的 CCD 相机为 Basler acA1600-60gc 型彩色相机,其 像素尺寸为 4.5 μm ×4.5 μm,分辨率为 1 600 pixel ×1 200 pixel。空间光调制器 (型号 HOLOEYE PLUTO-VIS-016)的像素尺寸为 8 μm ×8 μm,填充因子为 90%。

 

3 结果与分析

从两个方面证明所生成的光束为完美涡旋光束:(Ⅰ)光束半径独立于拓扑荷值;(Ⅱ)光束中含有 螺旋相位。

当锥透镜锥角 α=0.085°时,使用上述实验装置生成了不同拓扑荷值时的完美涡旋光束,如图 2 所 示。拓扑荷值 m 分别为 2,4,6,8。

 

由图 2 可以看出:所生成光束为一个光强较为均匀的圆环,证明了实验生成的完美涡旋光束质量较 好。值得注意的是,完美涡旋光束光环外围有其他较暗的光环,其主要原因为使用锥透镜的方法生成完 美涡旋光束是一种近似方法,因此伴随有杂散光生成[13] 。此外,随着拓扑荷值的增加,光束亮环半径几 乎不变,定性地证明了所生成光束为完美涡旋光束。

为了进一步定量分析,绘制了完美涡旋光束亮环半径 与拓扑荷值的变化曲线,如图 3 所示。图 3 中,误差线代表 的是完美涡旋光束光环半径的绝对误差值。由图 3 可以看 出:实验生成的完美涡旋光束并不像理想状态下的完美涡 旋光束一样半径完全独立于拓扑荷值。在一定范围内实验 得到的完美涡旋光束半径随着拓扑荷值的增加而增加,然 而其增加量较小,最大相对误差仅为 0.96%。因此,该实验 生成的完美涡旋光束近似为理想状态下的完美涡旋光束。

为了验证生成的完美涡旋光束含有螺旋相位,通过相 移技术[16] 调控 SLM光束 ±1 级衍射得到完美涡旋光束相干 叠加,干涉条纹如图 4 所示。由图 4 可以看出:不同拓扑荷 值的完美涡旋光束均产生了螺旋条纹,其条纹数为拓扑荷值的 2 倍,证明了所生成的完美涡旋光束具有 螺旋相位[17] 。

 

 

上述完美涡旋光束的产生与验证均是在保证平面波垂直入射 SLM时的实验结果。下面探究平面 波照射在 SLM上的入射角 θ对生成完美涡旋光束的影响。不同平面波入射角时,完美涡旋光束亮环光 强图如图 5 所示。

 

分析图 5 可知:随着平面波斜入射到 SLM的角度在 0°~28°逐渐增大,生成的完美涡旋光束亮环的 光强逐渐减弱,造成这种现象的主要原因是菲涅耳(Fresnel)反射原理。在菲涅耳公式的讨论中[1 8] ,将 入射光分解为电矢量垂直于入射面和平行于入射面的 s 波和 p 波,当光从光疏介质射到光密介质时,s 波和 p 波的反射系数和透射系数随着入射角 θ的增大而减小,所以生成的完美涡旋光束亮环的光强也 随着入射角 θ的增加而减弱。为了更直观地分析生成的完美涡旋光束亮环的光强变化情况,绘制出各 亮环的总光强与入射角 θ的变化曲线,如图 6 所示。由图 6 可知:完美涡旋亮环光强 I 与平面波入射到 SLM的角度 θ呈线性关系,线性函数为 I =24 068 -724.58θ。为了量化其线性相关程度,计算了该拟合 公式的相关系数 K,表达式如下:

 

分析图 5 还可以看出:当平面波入射到 SLM的角度在 0°~28°逐渐增大时,产生的完美涡旋光束亮 环离心率明显增大。当平面波斜入射角大于 28°时,CCD 相机已无法清晰记录产生的完美涡旋光束光 强图。为找出平面波入射角 θ与完美涡旋光束离心率的关系,绘制完美涡旋光束离心率 e 随着平面波 斜入射角 θ的关系曲线,如图 7 所示。由图 7 可以看出:当 θ从 0°增加到 28°时,生成的完美涡旋光束亮 环的离心率从 0.067 4 增加到 0.448 4。通过 Origin App拟合可得,完美涡旋光束亮环离心率 e 与平面 波斜入射角 θ呈线性关系。线性函数为 e =0.070 11 +0.014 33θ,相关系数为 0.986 72,线性拟合度较 好。

 

4 结论

随着平面波斜入射到 SLM的角度在 0°~28°逐渐增大时,完美涡旋光束亮环光强 I 及完美涡旋光 束离心率 e 均 与 其 呈 线 性 关 系。关 系 式 分 别 为:I =24 068 -724.58θ,相 关 系 数 为 0.998 6;e = 0.070 11 +0.014 33θ,相关系数为 0.986 72。此外,由于完美涡旋光束光强随 θ增加而减弱,当平面波 斜入射 SLM的角度大于 28°时,CCD 相机无法清晰记录产生的完美涡旋光束。该技术为设计产生完美 涡旋光束的实验光路提供了依据。

 

 

 


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