一种利用计算全息图产生涡旋光束的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用计算全息图产生涡旋光束的方法，其步骤：(1)采用在源平面(z=0m)坐标系中单环的拉盖尔高斯(LG)涡旋光束；(2)将涡旋光束的复振幅进行共轭对称延拓，得共轭对称的涡旋光束复振幅分布；(3)将共轭对称的涡旋光束复振幅分布进行傅里叶变换得到二维离散的实函数分布，对实函数进行直流分量抑制，编码成涡旋光束计算全息图；(4)对计算全息图进行Fourier反变换，得涡旋光束的光强分布和相位分布，将光强分布和相位分布的左半部作为数字重建的涡旋光束。(5)将涡旋光束计算全息图加载在空间光调制器上，对入射激光调制，光电重建涡旋光束。该方法采用共轭对称延拓Fourier计算全息算法，，快速简单，计算效率高，能产生无旁瓣高质量的涡旋光束。
【专利说明】—种利用计算全息图产生涡旋光束的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用计算全息图产生涡旋光束的新方法。
【背景技术】
[0002]涡旋光束(vortex beam)是一种特殊形态的光束#，它具有螺线型相位因子项
卿口句,光学相位中心为相位奇点，在此光束自消干涉导致光强消失，/称为涡旋光束的
拓扑电荷数，相位梯度围绕相位奇点旋转一周的梯度为2时。Alien在1992年PhysicalReview A杂志45(11): 8185-8189发表的“Orbital angular momentum of light and thetransformation of Laguerre-Gaussian laser modes”，该文证明了上述润方定光束中每个
光子均携带6./?大小的轨道角动量。
[0003]近年来，由于潜在的应用价值，涡旋光束在光学领域得到了广泛的研究和应用，涡旋光束的轨道角动量传递给微观粒子，应用在束缚低折射率粒子，微观粒子的旋转、囚禁技术等领域，此外由于利用涡旋光束特殊的拓扑电荷数进行编码，在量子信息编码、量子计算方面得到广泛应用'
[0004]产生涡旋光束的方法主要有模式转换法、螺旋相位板法54 (Spiral Phase Plate,SPP)和空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)法&，当前空间光调制器法的应用较为广泛，通过加载在空间光调制器的计算全息图(Computer-Generated Hologram，CGH)对入射的激光束进行调制，能够实时控制产生不同拓扑电荷数的动态涡旋光束。
[0005]基于空间光调制器法产生的涡旋光束往往存在旁瓣效应，尤其在拓扑电荷数较大的情况下，并且随着拓扑电荷数的增大，涡旋光束主亮环外围的旁瓣愈发明显。旁瓣的存在对涡旋光束的实际应用带来了相应的影响，比如，在利用涡旋光束对微观粒子进行二维或三维操控时，利用涡旋光束的主亮环分布，由于外部旁瓣的存在，不但造成主亮环对比度的降低，而且还可能与附近的涡旋场发生干涉，因此需要尽可能地消除。
[0006]# S.M.Barnett and L Alien， “Orbital angular momentum and nonparaxiallight beams，” Opt.Commun.110(5)，670-678，1994 ；
* S.F.Arnold， L.Alien， M.Padgett.Advances in optical angularmomentum[J].Laser & Photonics Reviews, 2008，2(4): 299-313，2008 ；
% V.V.Kotlyar, A.A.Kovalev, R.V.Skidanov，0.Y.Moiseev, and V.A.Soifer, “Diffraction of a finite-radius plane wave and a Gaussian beam by ahelical axicon and a spiral phase plate，，，Opt.Soc.A，24(7)，1955-1964，2007 ；& A.S.0strovsky, C.R.Parrao, and V.Arrizon，“Generation of the“perfect，，optical vortex using a Iiquiu—crystal spatial light modulator，，，Opt.Lett.38(4)，534-536，2013 ；
~黄素娟，王朔中，于瀛洁，“共轭对称延拓傅里叶计算全息，”物理学报，58 (2):952-958，2009。[0007]近年来，相关人员在涡旋光束的旁瓣抑制方面进行了较多的研究，其相关文献如下:
Guo 等在 2004 年出版的 Optics Express 杂志 12 (19): 4625-4634 发表的 “Optimalannulus structures of optical vortices” 一文提出了利用环形螺旋相位结构来抑制旁瓣，并通过数值拟合得到了最佳环形螺旋相位结构。
[0008]Lin 等在 2006 年出版的 Optics Letters 杂志 31 (11): 1600-1602 发表的^Variable-radius focused optical vortex with suppressed sidelobes，，一文中米用径向调制环形螺旋相位结构的方法来抑制涡旋光束的旁瓣。
[0009]Chen 等在 2009 年出版的 Optics Letters 杂志 34 (12): 3289-329I^Generalizedapproach to modifying optical vortices with suppressed sidelobes usingBessel-like functions”一文中通过对螺旋相位结构加载可变的类-贝塞尔函数并通过基于SLM的光电实验验证，高效地抑制了涡旋光束旁瓣的存在。
[0010]以上文献中所述 的几种方法能对光学涡旋的旁瓣进行抑制，但不能完全地消除旁瓣。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提出一种利用计算全息图产生涡旋光束的方法，该方法采用共轭对称延拓Fourier计算全息算法~，无需引入参考光波与物光波干涉，对入射激光进行调制快速、简单、灵活，计算效率高。
[0012]为了达到上述目的，本发明的技术方案是:
一种利用计算全息图产生涡旋光束的方法，具体步骤如下:
(1)、采用在源平面(Z= O ?)坐标系中单环的拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian, LG)涡旋光束，该涡旋光束的复振幅由幅度和相位两部分组成；
(2)、将LG润旋光束的复振幅进行共辄对称延拓，获得共辄对称延拓后的润旋光束的复振幅；
(3)、对共轭对称延拓后的涡旋光束的复振幅进行二维傅里叶变换，得到二维离散的实函数，对二维离散的实函数进行直流分量抑制，将其映射到O~255区间，编码成8比特的涡旋光束的计算全息图；
(4)、对步骤(3)所述的计算全息图进行Fourier反变换，取模值后获得共轭对称延拓后的润旋光束的光强分布，取相位角获得共轭对称延拓后的润旋光束的相位分布，光强分布和相位分布的左半部分即为数字重建的涡旋光束；
(5)、将上述步骤(3)中得到的计算全息图加载在空间光调制器上，对入射激光进行调制，光电重建涡旋光束。
[0013]上述步骤⑴所述的在源平面(z = O ?)坐标系中单环的拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian, LG)涡旋光束，其中拓扑电荷数为7的涡旋光束光强分布和相位分布，具体为:
【权利要求】
1.一种利用计算全息图产生涡旋光束的方法，其特征在于，该方法具体步骤如下: (1)、采用在源平面(Z= O ?)坐标系中单环的拉盖尔高斯(LG)涡旋光束，该涡旋光束的复振幅由幅度和相位两部分组成； (2)、将LG润旋光束的复振幅进行共辄对称延拓，获得共辄对称延拓后的润旋光束的复振幅； (3)、对共轭对称延拓后的涡旋光束的复振幅进行二维傅里叶变换，得到二维离散的实函数，对二维离散的实函数进行直流分量抑制，将其映射到O~255区间，编码成8比特的涡旋光束的计算全息图； (4)、对步骤(3)所述的计算全息图进行Fourier反变换，取模值后获得共轭对称延拓后的润旋光束的光强分布，取相位角获得共轭对称延拓后的润旋光束的相位分布，光强分布和相位分布的左半部分即为数字重建的涡旋光束； (5)、将上述步骤(3)中得到的计算全息图加载在空间光调制器(SLM)上，对入射激光进行调制，光电重建涡旋光束。
2.根据权利要求1所述的一种利用计算全息图产生涡旋光束的方法，其特征在于，上述步骤(1)所述的在源平面(z = O ?)坐标系中单环的拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian, LG)涡旋光束，其中拓扑电荷数为I的涡旋光束光强分布和相位分布，具体为:
3.根据权利要求1所述的一种利用计算全息图产生涡旋光束的方法，其特征在于，上述步骤(2)所述的将LG涡旋光束的复振幅进行共轭对称延拓，获得共轭对称延拓后的涡旋光束的复振幅f(m，η)，其分布式为:
4.根据权利要求1所述的一种利用计算全息图产生涡旋光束的方法，其特征在于，上述步骤(3)所述的对共轭对称的涡旋光束复振幅分布进行二维离散傅里叶变换，得到二维离散的实函数，其表达式为:
【文档编号】G02B27/09GK103984103SQ201410054141
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】黄素娟, 贺超, 王廷云, 谷婷婷 申请人:上海大学