光学涡旋的产生

1、光学涡旋的产生,光学涡旋的产生方法,几何光学模式转换法 计算全息法 螺旋相位板法 液晶空间光调制器法,2,几何光学模式转换法,几何模式转换法，常见的有两种，第一种是利用柱面透镜实现 HG 光束到 LG光束的转换。1993年， Beijersbergen使用一对焦距为 f 的柱面透镜产生的高斯相位实现了由其它模式产生拉盖尔高斯模。,4,5,这种方法的最大优点是能够得到很高的转换效率和较单一的 LG 模式。但是转换系统结构比较复杂，柱面透镜的使用增加了设备的制作难度；另外，利用这种方法要产生一定拓扑荷的 LG 光束有赖于相应的 HGnm模式的入射光束，但常用的激光器通常只能输出固定模式的激光，因此

2、不能灵活产生不同模式的 LG 光束。,6,7,8,9,小结：利用几何光学模式转换法能够得到很高的转换效率和很纯的光学涡旋。但是转换系统的结构都比较复杂，各类元件的精度要求很高 ，而且输出的光束有赖于入射光束相应的模式，但常用的激光器一般却只能输出固定模式，想要实现更多模式的光束，对激光器的要求就更为特殊，因此此法较难灵活的产生不同模式的涡旋光束。因此 ，这种方法在实际应用中不够灵活 。,10,计算全息法,对于制作全息叉形光栅，在实验中，使用平面波与具有轨道角动量的涡旋光束干涉叠加，形成一个二维计算机全息图，其中记载振幅与相位信息。设平面波光束的电场表达式为： 涡旋光束在电场下沿光轴 z 传播的

3、表达式为： 其中A1、A2为光波振幅，l 为涡旋光束的轨道角动量。这两束光波在z=0平面进行干涉叠加的光强分布为：,12,13,若涡旋光波和平面波都为单位振幅的光波，即 A1=A2=1 ，则，光强可表示为： 这种方法是在入射的HG00 光束中引入相位奇点产生光学涡旋。由于奇点的引入，全息图一般都是中心存在位错的周期型光栅，位错的数目即要产生的光学涡旋的拓扑荷。,拓扑荷值分别为1、2、4的全息光栅,14,小结：计算全息法具有灵活、快速、适用范围广的特点，得到了较广泛的应用。但这种方法的衍射效率不是很高 ，同时还受到全息成像仪器分辨率的影响 ，通常只能产生较低阶的光学涡旋 。,15,螺旋相位板法,

4、螺旋相位板，又称SPP，是厚度与相对于板中心的旋转方位角 成正比的透明板，表面结构类似于一个旋转的台阶，如图中所示是一个台阶高度为 h 的螺旋相位板。,17,18,则拓扑荷数为： 当高度h是连续变化时，理想情况下涡旋光束的拓扑荷数也是连续变化 的，就可以产生连续变化的拓扑荷数的理想涡旋光束。,19,这是一种螺旋位相板的变型，其结构可根据具体要求进行调节。这种位相板中心向边缘处有一条裂缝，将其固定后，利用旋钮调整施加到相位板上的力，使得两侧裂缝受到应力而产生错位，产生与螺旋相位板相似的结构。这种方法是一种改进后的螺旋相位板，其缺点是制备工艺要求高对材料的折射率、厚度、形变量等要求都比较苛刻。,2

5、0,小结：使用螺旋相位板法产生涡旋光束能够实现较高的转换效率 ，并且可以用于高功率的激光光束 。但一个螺旋相位板理论上讲只能产生单一拓扑荷的涡旋光束，缺乏了空间光调制器的灵活性。此外， 加工高质量螺旋相位板比较困难，且需要特殊的加工设备。但在一些需要处理高功率激光束或者小型化仪器上， 螺旋相位板是其他几种方法无法替代的。,21,液晶空间光调制法,空间光调制器(Spatial Light Modulator-SLM)是一种对光波的空间分布进行调制的器件。一般地说，空间光调制器由许多独立单元组成，它们在空间上排列成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制，并按此信号改变自身

6、的光学性质，从而对照明在其上的光波进行调制。,23,液晶材料简介,有一类有机化合物，在晶体加热到一定温度时，虽然已经溶解成液态，却依然呈现出各向异性，当加热到更高的温度时才会呈现出各向同性，这种在两个特定温度间呈现光学各向异性的物质称为液晶。 一般最常见的液晶为向列型液晶，分子形状为细长棒状。在电场、磁场、表面力和机械力的作用之下，液晶分子会做规则旋转排列，产生透光度的差别。,24,液晶的基本性质,液晶具有光学各向异性，沿分子长轴方向上的折射率不同于沿短轴方向上的折射率。如果沿分子长轴方向上的折射率大于沿短轴方向上的折射率，称为正性液晶，反之称为负性液晶。 液晶的电控双折射效应：在外加电场的作

7、用下，液晶分子取向变化，使液晶对某一方向上的光产生双折射。,双折射效应,25,液晶的扭曲效应:偏振光入射到扭曲向列液晶后，光的偏振态随着液晶分子的扭曲而发生改变。由于液晶具有这种改变入射光偏振态的能力，所以可以通过把光打到液晶器件，达到改变入射光光强和相位的目的。 如图，B1，B2是两片经过预定向处理的基片，基片表面的液晶分子沿预定方向排列，预定方向为互相垂直，起偏器P的偏振方向与基片B1的液晶分子长轴方向一致，检偏器A的偏振方向与基片B2的液晶分子长轴方向垂直。,26,液晶分子折射率椭球,液晶空间光调制器产生涡旋光束的原理与计算机全息法原理十分类似，它是将全息片同步输出到空间光调制器中，在计算机上可以动态实时的调控涡旋光束的参数。 若光束照射在液晶部分时，就会发生扭曲效应。因此可以通过改变施加在液晶上的电场分布控制出射光波的相位差，从而实现对入射光波的相位的调制过程。,27,利用液晶空间光调制器产生光学涡旋，基本原理