一种基于全息技术的标量涡旋光束生成系统及方法

1.本技术涉及全息技术和特殊光场产生技术领域，具体涉及一种基于全息技术的标量涡旋光束生成系统及方法。


背景技术：

2.涡旋光束，也称为螺旋光束，涡旋光束指具有涡旋特性的光束。涡旋光束是一种特殊的激光束，具有与普通的高斯光束所不同的特性。广义来说，涡旋光束包括相位涡旋光束和偏振涡旋光束两大类。
3.目前，已有各种方法来获得标量涡旋光束。比如，使用模式转换法产生标量涡旋光束。但是这种方法的光学结构相对复杂，器件制备困难、不易控制标量涡旋光束的种类和参数。还有计算全息图法，即利用全息图制作涡旋光与平面波或球面波干涉形成的叉形光栅或螺旋型的光栅，以及具有螺旋厚度剖面的透明板的螺旋相位板和作为一种等效二维器件的超表面，也可以产生标量涡旋光束。但是利用这些方法只能产生特定拓扑荷数的标量涡旋光束。因此，要产生不同拓扑荷的标量涡旋光束，就需要加工不同的光学器件。前二者需要借助比较昂贵的器件或设备，后二者对制造技术的要求较高。等等诸如此类生成标量涡旋光束的方法存在或光学结构复杂、或系统体积大、或成本高又或加工工艺复杂等诸多局限性。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本技术提供了一种基于全息技术的标量涡旋光束生成系统及方法，解决现有标量涡旋光束的生成方法中存在的光学结构复杂、系统体积大、成本高及加工工艺复杂等问题。
5.为实现上述目的，发明人提供了一种基于全息技术的标量涡旋光束生成系统，包括：
6.激光光源，所述激光光源用于产生激光；
7.偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜用于将所述激光光源产生的激光分为信号光及参考光；
8.参考光路，所述参考光路用于输送所述参考光；
9.信号光路，所述信号光路用于输送所述信号光；
10.调节系统，所述调节系统包括半波片、四分之一波片、第一偏振片、扇形狭缝、第一转向装置及第二转向装置，所述半波片、四分之一波片、第一偏振片及扇形狭缝依次设置在信号光路上，所述第一转向装置用于转动所述半波片，所述第二转向装置用于转动所述扇形狭缝，所述调节系统用于通过第一转向装置及第二转向装置调节半波片与扇形狭缝之间的转速比调节所述信号光的相位得到不同阶次的标量涡旋光束；
11.全息记录材料，所述全息记录材料用于对射入的标量涡旋光束进行记录，所述信号光及参考光相互垂直射入全息记录材料。
12.在一些实施例中，所述参考光路包括第一反射镜，所述第一反射镜用于将参考光射入所述全息记录材料；
13.所述信号光路包括第二反射镜，所述第二反射镜用于将信号光射入所述全息记录材料。
14.在一些实施例中，还包括扩束系统，所述扩束系统包括第一透镜，所述第一透镜设置在激光光源与偏振分光棱镜之间，所述第一透镜用于对激光光源产生的激光进行扩束。
15.在一些实施例中，还包括空间滤波器，所述空间滤波器设置在激光光源与第一透镜之间，所述空间滤波器用于对激光光源产生的激光进行滤波。
16.在一些实施例中，还包括第二偏振片及第三偏振片，所述第二偏振片设置在信号光路，所述第三偏振片设置在参考光路上。
17.在一些实施例中，所述扇形狭缝的开口角a的取值范围为5
°
≥a》0
°
。
18.在一些实施例中，还包括成像系统，所述成像系统包括相机，所述相机用于对全息记录材料再现的标量涡旋光束的图像捕捉。
19.在一些实施例中，所述成像系统还包括4f成像系统，所述4f成像系统设置在所述全息记录材料与相机之间。
20.在一些实施例中，全息记录材料可以采用块状pq/pmma材料
21.还提供了另一个技术方案：一种基于全息技术的标量涡旋光束生成方法，所述方法用于上述所述基于全息技术的标量涡旋光束生成系统，所述方法具体包括以下步骤：
22.激光光源产生激光；
23.偏振分光棱镜将激光光源产生的激光分束为参考光及信号光；
24.参考光路将参考光输送至全息记录材料；
25.信号光路将信号光输送至全息记录材料；
26.调节系统通过第一转转向装置及第二转向装置调节半波片及扇形狭缝之间的转速比并配合四分之一波片及第一偏振片调节信号光的相位得到不同阶次的标量涡旋光束；
27.全息记录材料对射入的标量涡旋光束进行记录。
28.在一些实施例中，还包括以下步骤：
29.通过相机对全息记录材料再现的标量涡旋光束的图像捕捉。
30.区别于现有技术，上述技术方案，当需要生成标量涡旋光束时，通过激光光源生成激光，并经过偏振分光棱镜进行分束得到信号光及参考光，然后通过参考光路将参考光送入全息记录材料，通过信号光路将信号光送入全息记录材料；其中，信号光及参考光相互垂直射入全息记录材料。在信号光路上设有调节系统，半波片、四分之一波片、第一偏振片及扇形狭缝设置在信号光路上，通过半波片、四分之一波片及偏振片引入相位变化，通过扇形狭缝过滤光束，实现相位的调控，同时通过第一旋转装置转动半波片及第二旋转装置转动扇形狭缝，可以产生不同阶次的标量涡旋光束，最后通过具有记录振幅和相位信息能力的全息记录材料作为记录媒介将通过扇形狭缝的信息实时记录下来。可以灵活制备不同阶次的标量涡旋光束，同时全息材料制作工艺简单、成本低，运用该材料做的光学器件能够解决以往标量涡旋光束生成方法存在的系统体积大、制备成本高等问题，同时因其材料的响应特性，在制备过程中可达到加工时长短的效果。
31.上述发明内容相关记载仅是本技术技术方案的概述，为了让本领域普通技术人员
能够更清楚地了解本技术的技术方案，进而可以依据说明书的文字及附图记载的内容予以实施，并且为了让本技术的上述目的及其它目的、特征和优点能够更易于理解，以下结合本技术的具体实施方式及附图进行说明。
附图说明
32.附图仅用于示出本技术具体实施方式以及其他相关内容的原理、实现方式、应用、特点以及效果等，并不能认为是对本技术的限制。
33.在说明书附图中：
34.图1为具体实施方式所述基于全息技术的标量涡旋光束生成系统的一种结构示意图；
35.图2为具体实施方式所述基于全息技术的标量涡旋光束生成系统的另一种结构示意图；
36.图3为具体实施方式所述基于全息技术的标量涡旋光束生成系统的另一种结构示意图；
37.图4为具体实施方式所述基于全息技术的标量涡旋光束生成系统的另一种结构示意图；
38.图5为具体实施方式所述基于全息技术的标量涡旋光束生成系统的另一种结构示意图；
39.图6为具体实施方式所述基于全息技术的标量涡旋光束生成方法的一种流程示意图。
40.上述各附图中涉及的附图标记说明如下：
41.1、激光光源，
42.2、偏振分光棱镜，
43.3、第一半波片，
44.4、四分之一波片，
45.5、第一偏振片，
46.6、扇形狭缝，
47.7、全息记录材料，
48.8、第一透镜，
49.9、空间滤波器，
50.10a、第一反射镜；
51.10b、第二反射镜，
52.11、第二偏振片，
53.12、第三偏振片，
54.13、第二半波片，
55.14、相机，
56.15、4f成像系统。
具体实施方式
57.为详细说明本技术可能的应用场景，技术原理，可实施的具体方案，能实现目的与效果等，以下结合所列举的具体实施例并配合附图详予说明。本文所记载的实施例仅用于更加清楚地说明本技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本技术的保护范围。
58.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中各个位置出现的“实施例”一词并不一定指代相同的实施例，亦不特别限定其与其它实施例之间的独立性或关联性。原则上，在本技术中，只要不存在技术矛盾或冲突，各实施例中所提到的各项技术特征均可以以任意方式进行组合，以形成相应的可实施的技术方案。
59.除非另有定义，本文所使用的技术术语的含义与本技术所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中对相关术语的使用只是为了描述具体的实施例，而不是旨在限制本技术。
60.在本技术的描述中，用语“和/或”是一种用于描述对象之间逻辑关系的表述，表示可以存在三种关系，例如a和/或b，表示：存在a，存在b，以及同时存在a和b这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的逻辑关系。
61.在本技术中，诸如“第一”和“第二”之类的用语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的数量、主次或顺序等关系。
62.在没有更多限制的情况下，在本技术中，语句中所使用的“包括”、“包含”、“具有”或者其他类似的表述，意在涵盖非排他性的包含，这些表述并不排除在包括所述要素的过程、方法或者产品中还可以存在另外的要素，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者产品中不仅可以包括那些限定的要素，而且还可以包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法或者产品所固有的要素。
63.与《审查指南》中的理解相同，在本技术中，“大于”、“小于”、“超过”等表述理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等表述理解为包括本数。此外，在本技术实施例的描述中“多个”的含义是两个以上(包括两个)，与之类似的与“多”相关的表述亦做此类理解，例如“多组”、“多次”等，除非另有明确具体的限定。
64.在本技术实施例的描述中，所使用的与空间相关的表述，诸如“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“垂直”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等，所指示的方位或位置关系是基于具体实施例或附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术的具体实施例或便于读者理解，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的位置、特定的方位、或以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本技术实施例的限制。
65.除非另有明确的规定或限定，在本技术实施例的描述中，所使用的“安装”“相连”“连接”“固定”“设置”等用语应做广义理解。例如，所述“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体设置；其可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通信连接；其可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；其可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本技术所属技术领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述用
语在本技术实施例中的具体含义。
66.请参阅图1-5，本实施例提供了一种基于全息技术的标量涡旋光束生成系统，包括：
67.激光光源1，所述激光光源1用于产生激光；
68.偏振分光棱镜2，所述偏振分光棱镜2用于将所述激光光源1产生的激光分为信号光及参考光；
69.参考光路，所述参考光路用于输送所述参考光；
70.信号光路，所述信号光路用于输送所述信号光；
71.调节系统，所述调节系统包括第一半波片3、四分之一波片4、第一偏振片5、扇形狭缝6、第一转向装置及第二转向装置，所述全息记录材料7、四分之一波片4、第一偏振片5及扇形狭缝6依次设置在信号光路上，所述第一转向装置用于转动第一半波片3，所述第二转向装置用于转动扇形狭缝6，所述调节系统用于通过第一转向装置及第二转向装置调节全息记录材料7与扇形狭缝6之间的转速比调节所述信号光的相位得到不同阶次的标量涡旋光束；
72.全息记录材料7，所述全息记录材料7用于对射入的标量涡旋光束进行记录，所述信号光及参考光相互垂直射入全息记录材料7。
73.当需要生成标量涡旋光束时，通过激光光源1生成激光，并经过偏振分光棱镜2进行分束得到信号光及参考光，然后通过参考光路将参考光送入全息记录材料7，通过信号光路将信号光送入全息记录材料7；其中，信号光及参考光相互垂直射入全息记录材料7。在信号光路上设有调节系统，第一半波片3、四分之一波片4、第一偏振片5及扇形狭缝6设置在信号光路上，通过全息记录材料7、四分之一波片4及第一偏振片5引入相位变化，通过扇形狭缝6过滤光束，实现相位的调控，同时通过第一旋转装置转动第一半波片3及第二旋转装置转动扇形狭缝6，可以产生不同阶次的标量涡旋光束，最后通过具有记录振幅和相位信息能力的全息记录材料7作为记录媒介将通过扇形狭缝6的信息实时记录下来。可以灵活制备不同阶次的标量涡旋光束，同时全息材料制作工艺简单、成本低，运用该材料做的光学器件能够解决以往标量涡旋光束生成方法存在的系统体积大、制备成本高等问题，同时因其材料的响应特性，在制备过程中可达到加工时长短的效果。采用全息记录材料7作为生成标量涡旋光束的媒介，通过只采用普通元器件设计的实时记录系统将标量涡旋光束记录到全息记录材料7内。记有标量涡旋光束的全息记录材料7能够作为一个器件来使用，其具有尺寸小、制备成本低及加工时长短等优势。该装置在可生成任意阶次的标量涡旋光束的同时，在器件和材料上均缩减了成本，并且研制的系统既简单又紧凑。
74.例如，当需要制备l阶的标量涡旋光束时，只需要通过第一旋转装置及第二旋转装置将第一半波片3与扇形狭缝6之间的转速比调整为1:2，即可制备得到l阶的标量涡旋光束。而需要得到其他阶次的标量涡旋光束，只需要相应的调整第一半波片3与扇形狭缝6之间的转速比即可得到。其中，转速的符号标识旋转的方向，正号标识逆时针旋转，负号标识顺时针旋转。
75.请参阅图1-5，在一些实施例中，所述参考光路包括第一反射镜10a，所述第一反射镜10a用于将参考光射入所述全息记录材料7；
76.所述信号光路包括第二反射镜10b，所述第二反射镜10b用于将信号光射入所述全
息记录材料7。
77.为了便于参考光和信号光相互垂直射入全息记录材料7。通过在参考光路上设置第一反射镜10a对参考光进行反射，在信号光路上设置第二反射镜10b对信号光进行反射，将信号光及参考光相互垂直射入全息记录材料7。在其他实施例中，也可以将经过偏振分束棱镜分束得到的参考光直线射入全息记录材料7，而通过两个反射镜将信号光射入全息记录材料7，使得参考光和信号光相互垂直射入全息记录材料7，或者将经过偏振分束棱镜分束得到的信号光直线射入全息记录材料7，而通过两个反射镜将参考光射入全息记录材料7，使得参考光和信号光相互垂直射入全息记录材料7。
78.请参阅图1-5，在一些实施例中，还包括扩束系统，所述扩束系统包括第一透镜8，所述第一透镜8设置在激光光源1与偏振分光棱镜2之间，所述第一透镜8用于对激光光源1产生的激光进行扩束。通过第一透镜8可以对激光光源1产生的激光进行扩束准直。其中，还包括空间滤波器9，所述空间滤波器9设置在激光光源1与第一透镜8之间，所述空间滤波器9用于对激光光源1产生的激光进行滤波。除去激光中由于附着在激光光源1上的灰尘或反射镜面引起的波面畸形。
79.请参阅图2-5，在一些实施例中，还包括第二偏振片11及第三偏振片12，所述第二偏振片11设置在信号光路，所述第三偏振片12设置在参考光路上。
80.在一些实施例中，还包括成像系统，所述成像系统包括相机14，所述相机14用于对全息记录材料7再现的标量涡旋光束的图像捕捉。通过相机14可以对全息记录材料7再现的标量涡旋光束的图像捕捉，其中为了提高捕捉的图像的质量，所述成像系统还包括4f成像系统15，所述4f成像系统15设置在所述全息记录材料7与相机14之间。其中，4f成像系统15由第二透镜及第三透镜组合形成。可以使得在全息记录材料7上记录和再现的光束的质量得到很大的提升。其中相机14采用ccd相机14。
81.在一些实施例中，激光光源1采用波长为532nm的基模tem
00
绿色激光器。
82.在一些实施例中，所述扇形狭缝6由镀膜铝合金材料制成。镀膜铝合金材料具有不易变形和不易透光的特性。
83.在一些实施例中，所述扇形狭缝6的开口角a的取值范围为：5
°
≥a》0
°
；扇形狭缝6的开口角度越小时，则所得标量涡旋光束相位面上变化越平滑，精度就会越高。
84.请参阅图3-5，在一些实施例中，在激光光源1与偏振分光棱镜2之间还设有第二半波片13，激光光源1生成的激光在经过第二半波片13之后，再进入偏振分光棱镜2。
85.在一些实施例中，全息记录材料7采用全息记录材料pq/pmma，全息记录材料pq/pmma由菲醌(pq)、2,2-偶氮二异丁腈(aibn)和甲基丙烯酸甲酯(mma)材料制成。
86.请参阅图6，在另一实施例中，一种基于全息技术的标量涡旋光束生成方法，所述方法用于上述实施例中的基于全息技术的标量涡旋光束生成系统，所述方法具体包括以下步骤：
87.步骤610：激光光源产生激光；
88.步骤620：偏振分光棱镜将激光光源产生的激光分束为参考光及信号光；
89.步骤630：参考光路将参考光输送至全息记录材料；
90.步骤640：信号光路将信号光输送至全息记录材料；
91.步骤650：调节系统通过第一转向装置及第二转向装置调节半波片及扇形狭缝之
间的转速比并配合四分之一波片及第一偏振片调节信号光的相位得到不同阶次的标量涡旋光束；
92.步骤660：全息记录材料对射入的标量涡旋光束进行记录。
93.当需要生成标量涡旋光束时，通过激光光源生成激光，并经过偏振分光棱镜进行分束得到信号光及参考光，然后通过参考光路将参考光送入全息记录材料，通过信号光路将信号光送入全息记录材料；其中，信号光及参考光相互垂直射入全息记录材料。在信号光路上设有调节系统，半波片、四分之一波片、第一偏振片及扇形狭缝设置在信号光路上，通过半波片、四分之一波片及偏振片引入相位变化，通过扇形狭缝过滤光束，实现相位的调控，同时通过第一旋转装置转动半波片及第二旋转装置转动扇形狭缝，可以产生不同阶次的标量涡旋光束，最后通过具有记录振幅和相位信息能力的全息记录材料作为记录媒介将通过扇形狭缝的信息实时记录下来。可以灵活制备不同阶次的标量涡旋光束，同时全息材料制作工艺简单、成本低，运用该材料做的光学器件能够解决以往标量涡旋光束生成方法存在的系统体积大、制备成本高等问题，同时因其材料的响应特性，在制备过程中可达到加工时长短的效果。
94.采用全息记录材料作为生成标量涡旋光束的媒介，通过只采用普通元器件设计的实时记录系统将标量涡旋光束记录到全息记录材料内。记有标量涡旋光束的全息记录材料能够作为一个器件来使用，其具有尺寸小、制备成本低及加工时长短等优势。该装置在可生成任意阶次的标量涡旋光束的同时，在器件和材料上均缩减了成本，并且研制的系统既简单又紧凑。
95.例如，当需要制备l阶的标量涡旋光束时，只需要通过第一旋转装置及第二旋转装置将第一半波片与扇形狭缝之间的转速比调整为1:2，即可制备得到l阶的标量涡旋光束。而需要得到其他阶次的标量涡旋光束，只需要相应的调整第一半波片与扇形狭缝之间的转速比即可得到。其中，转速的符号标识旋转的方向，正号标识逆时针旋转，负号标识顺时针旋转。
96.在一些实施例中，还包括以下步骤：
97.通过相机对全息记录材料再现的标量涡旋光束的图像捕捉。
98.可以通过相机对全息记录材料再现的标量涡旋光束的图像捕捉。
99.最后需要说明的是，尽管在本技术的说明书文字及附图中已经对上述各实施例进行了描述，但并不能因此限制本技术的专利保护范围。凡是基于本技术的实质理念，利用本技术说明书文字及附图记载的内容所作的等效结构或等效流程替换或修改产生的技术方案，以及直接或间接地将以上实施例的技术方案实施于其他相关的技术领域等，均包括在本技术的专利保护范围之内。