一种复合光学涡旋的产生方法及其装置.pdf

本发明涉及一种复合光学涡旋的产生方法及其装置，其特征在于：采用角度复用多重体存储技术实现多个光学涡旋的同轴叠加从而复合涡旋的方法及其装置，包括一利用角度复用技术实现多重体全息存储和再现的光路，该光路可实现对多个不同光学涡旋的体全息存储与再现；以及一产生光学涡旋的发生器件，该器件可根据要求产生不同的光学涡旋。通过计算机编程控制不同参考光照射体全息记录介质以再现出不同涡旋组合以实现不同光学涡旋的同轴叠加来产生复合涡旋。本发明满足不同光学涡旋的同轴性和高衍射效率，且由于此方法可通过改变参考光的入射角度增加光学涡旋的存储容量，因此本发明复合涡旋的产生方法简单易调节，且得到复合涡旋的种类多样。

1.  一种复合光学涡旋的产生方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将激光器出射的光分为两束相干光，其中一束进行涡旋调制形成涡旋光束O₁；涡旋光束O₁与另一束参考光R₁以一夹角入射到体全息存储介质中得到第一幅干涉体全息图；
步骤2：将参考光R₁偏转角度Δθ成为新的参考光R₂，将涡旋光束O₁进行涡旋调制形成新的涡旋光束O₂，参考光R₂和涡旋光束O₂以新的夹角在体全息存储介质中的同一位置干涉形成另一体全息图，完成第二幅信息的记录；所述偏转角Δθ为0.02度到0.06度；
步骤3：利用体全息的布拉格选择性，重复n次步骤2，得到n幅体全息图；所述的n＝涡旋光束与参考光束的角度差/Δθ；
步骤4：以记录第i幅体全息图相同的参考光R_i入射体全息存储介质中第i幅体全息图记录位置，得到涡旋光束O_i的再现；
步骤5：将步骤4中得到的两幅以上的不同涡旋光束O_i进行同轴叠加得到复合涡旋。

2.  根据权利要求1所述的复合光学涡旋的产生方法，其特征在于：所述的体全息存储介质为透射式体全息存储介质、反射式体全息存储介质或邻面入射式体全息存储介质。

3.  根据权利要求1或2所述的复合光学涡旋的产生方法，其特征在于：当体全息存储介质为透射式体全息存储介质时，步骤1或步骤2中所述的夹角θ和θ为30度到60度。

4.  根据权利要求1或2所述的复合光学涡旋的产生方法，其特征在于：当体全息存储介质为邻面入射式体全息存储介质时，步骤1或步骤2中所述的夹角θ和θ为90度到120度。

5.  根据权利要求1或2所述的复合光学涡旋的产生方法，其特征在于：当体全息存储介质为反射式体全息存储介质时，步骤1或步骤2中所述的夹角θ和θ为130度到160度。

6.  一种实现权利要求1～5所述的复合光学涡旋的产生方法的装置，其特征在于包括激光光源(1)、光束扩大器(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、主快门(8)、涡旋调制器、体全息存储介质(13)、图像采集器件(14)、n个参考光路反射镜(5)、n个分束镜(6)、n个参考光路快门(7)、控制器(15)和计算机(16)；激光光源(1)发出的激光经过光束扩大器(2)、第一反射镜(3)和第二反射镜(4)，在主快门(8)的控制下，通过涡旋调制器形成涡旋光；第一反射镜(3)与第二反射镜(4)的光路之间设有n个分束镜(6)，形成n个参考光，n个参考光经过n个参考光路快门(7)后，通过n个参考光路反射镜(5)与涡旋光在体全息存储介质(13)中形成n幅体全息图；在体全息存储介质(13)之后且与涡旋光同轴设有图像采集器件(14)；主快门(8)和n个参考光路快门(7)与控制器(15)和计算机(16)实现电信号联接。

7.  根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的涡旋调制器采用涡旋平面全息产生器、螺旋相位板涡旋产生器、模式转换涡旋产生器、中空波导涡旋产生器或旋转镜面光学参数振荡器。

8.  根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的体全息存储介质采用透射式体全息存储、反射式体全息存储或邻面入射式体全息存储。

一种复合光学涡旋的产生方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种复合光学涡旋的产生方法及其装置，是一种用角度复用体全息存储方式实现多涡旋同轴叠加，通过光学涡旋与光学涡旋的叠加产生新的复杂涡旋的方法。
背景技术
光学涡旋在近几十年中由于其独特的相位结构和拓扑特性在基础研究和应用研究等领域均受到了广泛的关注。在光学领域，如果光波场的中心存在相位奇点，且相位围绕该奇点呈螺旋连续变化，光波波前会绕在传播方向上的一条线以螺旋方式旋转，形成螺旋形的波前，这非常类似于流体中的涡旋现象，因此这类光波被称为“光学涡旋”(Optical Vortices)。
光学涡旋是一种独特的光场，其螺旋型波前和独特的相位结构及新颖的拓扑特性使之可以产生较大的轨道角动量，目前已经成功地将其转移给微粒实现对微粒的操控。一般用于微粒操控的光学涡旋多为波前中含有一个相位奇点的单个涡旋，而含有多个相位奇点的多涡旋结构可进行多种独立的光学束缚。由于复合涡旋可产生新颖的拓扑结构和强度分布，可满足多涡旋结构的要求，因此引起了广泛关注。
早在2003年I.D.Maleev和G.A.Swartzlander等人就分析了两个平行不共线的涡旋叠加，描述了光学相位奇点随两涡旋的相对相位或幅值的变化情况，并得到涡旋产生和湮灭的临界条件。近几年对光学涡旋的共线叠加研究逐渐增多，其中E.J.Galvez领导的研究小组在2006-2009年间致力于此方面的研究，得出了两涡旋叠加后产生的复合涡旋的分布规律。
多个涡旋的叠加产生新的涡旋分布，目前多从理论上研究多个涡旋在不同条件下叠加产生复合涡旋的分布或其分布规律，而通过实验得到复合涡旋的介绍却很少，比如E.J.Galvez领导的研究小组已在实验上利用两嵌套式的马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉光路实现了两个涡旋(拓扑荷值为整数或小数)的同轴叠加。此方法便于分别控制干涉臂上两光学涡旋的相对强度和相位，但调节两光学涡旋的平行和同轴较难，且对于多个(＞2)涡旋的同轴干涉叠加实现起来难度更大。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种复合光学涡旋的产生方法及其装置，通过角度复用体全息存储方式实现多涡旋同轴叠加，通过光学涡旋与光学涡旋的叠加产生新的复杂涡旋的花样。
本发明的思想在于：采用角度复用多重体存储技术实现多个光学涡旋的同轴叠加从而复合涡旋的方法及其装置，包括一利用角度复用技术实现多重体全息存储和再现的光路，该光路可实现对多个不同光学涡旋的体全息存储与再现；以及一产生光学涡旋的发生器件，该器件可根据要求产生不同的光学涡旋。通过计算机编程控制不同参考光照射体全息记录介质以再现出不同涡旋组合以实现不同光学涡旋的同轴叠加来产生复合涡旋。
技术方案
一种复合光学涡旋的产生方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将激光器出射的光分为两束相干光，其中一束进行涡旋调制形成涡旋光束O₁；涡旋光束O₁与另一束参考光R₁以一夹角入射到体全息存储介质中得到第一幅干涉体全息图；
步骤2：将参考光R₁偏转角度Δθ成为新的参考光R₂，将涡旋光束O₁进行涡旋调制形成新的涡旋光束O₂，参考光R₂和涡旋光束O₂以新的夹角在体全息存储介质中的同一位置干涉形成另一体全息图，完成第二幅信息的记录；所述偏转角Δθ为0.02度到0.06度；
步骤3：利用体全息的布拉格选择性，重复n次步骤2，得到n幅体全息图；所述的n＝涡旋光束与参考光束的角度差/Δθ；
步骤4：以记录第i幅体全息图相同的参考光R_i入射体全息存储介质中第i幅体全息图记录位置，得到涡旋光束O_i的再现；
步骤5：将步骤4中得到的两幅以上的不同涡旋光束O_i进行同轴叠加得到复合涡旋。
所述的体全息存储介质为透射式体全息存储介质、反射式体全息存储介质或邻面入射式体全息存储介质。
当体全息存储介质为透射式体全息存储介质时，步骤1或步骤2中所述的夹角θ和θ为30度到60度。
当体全息存储介质为邻面入射式体全息存储介质时，步骤1或步骤2中所述的夹角θ和θ为90度到120度。
当体全息存储介质为反射式体全息存储介质时，步骤1或步骤2中所述的夹角θ和θ为130度到160度。
一种实现复合光学涡旋的产生方法的装置，其特征在于包括激光光源1、光束扩大器2、第一反射镜3、第二反射镜4、主快门8、涡旋调制器、体全息存储介质13、图像采集器件14、n个参考光路反射镜5、n个分束镜6、n个参考光路快门7、控制器15和计算机16；激光光源1发出的激光经过光束扩大器2、第一反射镜3和第二反射镜4，在主快门8的控制下，通过涡旋调制器形成涡旋光；第一反射镜3与第二反射镜4的光路之间设有n个分束镜6，形成n个参考光，n个参考光经过n个参考光路快门7后，通过n个参考光路反射镜5与涡旋光在体全息存储介质13中形成n幅体全息图；在体全息存储介质13之后且与涡旋光同轴设有图像采集器件14；主快门8和n个参考光路快门7与控制器15和计算机16实现电信号联接。
所述的涡旋调制器采用涡旋平面全息产生器、螺旋相位板涡旋产生器、模式转换涡旋产生器、中空波导涡旋产生器或旋转镜面光学参数振荡器。
所述的体全息存储介质采用透射式体全息存储、反射式体全息存储或邻面入射式体全息存储。
激光光源1发出的激光经过光束扩大器2、第一反射镜3和第二反射镜4，在主快门8的控制下，通过涡旋调制器形成涡旋光；第一反射镜3与第二反射镜4的光路之间的n个分束镜6，形成n个参考光，n个参考光经过n个参考光路快门7后，通过n个参考光路反射镜5与涡旋光在体全息存储介质13中形成n幅体全息图。
有益效果
本发明提出的复合光学涡旋的产生方法及其装置，通过角度复用方式在体全息存储介质内写入多重体全息，记录过程中，涡旋光束方向始终不变，保证了不同涡旋光束的同轴性，且体全息光栅的布拉格衍射可使之具有很高的衍射效率。而复合光学涡旋的产生只需通过计算机控制系统选用相应参考光再现出相应的涡旋光束以实现不同光学涡旋的叠加。整个产生过程简单，易满足不同光学涡旋的同轴性和高衍射效率，且由于此方法可通过改变参考光的入射角度增加光学涡旋的存储容量，因此本发明复合涡旋的产生方法简单易调节，且得到复合涡旋的种类多样。
附图说明
图1：是本发明提出的产生复合光学涡旋方法的流程图
图2：是利用本发明方法设计的产生复合光学涡旋的第一种结构形式；
图中，1-激光光源，2-光束扩大器，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-n个参考光路反射镜，6-3个分束镜，7-3个参考光路快门，8-主快门，9-傅里叶变换透镜，10-傅里叶逆变换透镜，11-针孔滤波器，12-涡旋平面全息产生器，13-1-透射式体全息存储介质，14-图像采集器件，15-控制器，16-计算机。
图3是利用第一种结构形式得到的拓扑荷分别为1、2、3的光学涡旋叠加结果；
图中，a1-全息再现的拓扑荷为1的光学涡旋，a2-全息再现的拓扑荷为2的光学涡旋，a3-全息再现的拓扑荷为2的光学涡旋，a4-全息再现的拓扑荷为1和2同轴叠加的复合光学涡旋，a5-全息再现的拓扑荷为2和3同轴叠加的复合光学涡旋，a6-全息再现的拓扑荷为1和3同轴叠加的复合光学涡旋，a7-全息再现的拓扑荷为1、2和3同轴叠加的复合光学涡旋，b1～b7-光学涡旋或复合光学涡旋与平面波的干涉图样，A4～A7及B4～B7-相应的数值模拟结果。
图4是是利用本发明方法设计的产生复合光学涡旋的第二种结构形式；
图中，1-激光光源，2-光束扩大器，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-n个参考光路反射镜，6-5个分束镜，7-5个参考光路快门，8-主快门，18-螺旋相位板涡旋产生器，13-2-邻面入射式体全息存储介质，14-图像采集器件，15-控制器，16-计算机。
图5是是利用本发明方法设计的产生复合光学涡旋的第三种结构形式；
图中，1-激光光源，2-光束扩大器，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-n个参考光路反射镜，6-5个分束镜，7-5个参考光路快门，8-主快门，19-模式转换涡旋产生器，13-3-反射式体全息存储介质，14-图像采集器件，15-控制器，16-计算机。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例一：
请参阅图2，其是本发明提出的复合光学涡旋的产生方法的第一实施方式的主要光路结构，包括激光光源1，依次设置在该激光光源1出射光路上的光束扩大器2、第一反射镜3、分束镜6-1，由设置在该分束镜6-1反射光路上的第一个参考光路快门7-1和参考光路反射镜5-1；在分束镜6-1透射光路上的分束镜6-2和反射光路上的第二个参考光路快门7-2和参考光路反射镜5-2；……；在分束镜6-n反射光路上的第n个参考光路快门7-n和参考光路反射镜5-n，在分束镜6-n的透射光路上的第二反射镜4、主快门8、涡旋平面全息产生器12、第一傅里叶变换透镜9、第一针孔滤波器11、第一傅里叶逆变换透镜10。参考光路反射镜5的朝向设置成使参考光与物光在透射式全息存储介质13-1的指定位置17交叉，所述n＝3。
产生复合光学涡旋的结构还包括用于控制参考光和涡旋光光路上的快门的控制器15及计算机16。
其他元器件均采用常规产品。
本实施方式的存储方法为：记录时，激光光源1发出的激光经光束扩大器2后提供系统所需的平行光。平行光垂直入射到分束镜6-1，入射光被分为两路：其反射光，经第一个参考光路快门7-1和参考光路反射镜5-1，构成记录所需的第一参考光R₁；其透射光，垂直入射到分束镜6-2，被分为两路：其反射光，经第二个参考光路快门7-2和参考光路反射镜5-2，构成记录所需的第二参考光R₂；其透射光，垂直入射到分束镜6-3，被分为两路：其反射光，经第三个参考光路快门7-3和参考光路反射镜5-3，构成记录所需的第三参考光R₃；其透射光，经第二反射镜4、主快门8后由涡旋平面全息产生器12调制，再第一傅里叶变换透镜9、第一针孔滤波器11、第一傅里叶逆变换透镜10记录所需的涡旋光。涡旋平面全息产生器12、第一傅里叶变换透镜9、第一针孔滤波器11、第一傅里叶逆变换透镜10、体全息记录介质13-1构成典型的4F结构。各参考光和涡旋光以不同夹角从同一侧入射到透射式体全息存储介质13-1的同一位置17干涉形成多重光栅，记录多个数据页。读取过程则将涡旋光光路阻断，用于记录时一致的参考光在位置19读取相应的数据页信息。
请参阅图3，其是利用本实施例通过实验得到的光学涡旋及其叠加结果。其获得步骤为：
第一步：利用第一实施例，用第一参考光R₁和拓扑荷为1的光学涡旋O₁在体全息存储介质13-1的同一位置19干涉形成光栅；
第二步：用第二参考光和拓扑荷为2的光学涡旋在体全息存储介质13-1的同一位置17干涉形成光栅；
第三步：用第三参考光和拓扑荷为3的光学涡旋在体全息存储介质13-1的同一位置17干涉形成光栅；
第四步：关闭涡旋光光路，通过计算机16编程的控制器15来控制参考光路中的快门开关，再现出相应的光学涡旋或复合光学涡旋，并用图像采集器件14进行采集。
实施例二：
请参阅图4，其是本发明提出的复合光学涡旋的产生方法的第二实施方式的主要光路结构，包括激光光源1，依次设置在该激光光源1出射光路上的光束扩大器2、第一反射镜3、分束镜6-1，由设置在该分束镜6-1反射光路上的第一个参考光路快门7-1和参考光路反射镜5-1；在分束镜6-1透射光路上的分束镜6-2和反射光路上的第二个参考光路快门7-2和参考光路反射镜5-2；……；在分束镜6-n的反射光路上的第n个参考光路快门7-n和参考光路反射镜5-n，在分束镜6-n的透射光路上的第二反射镜4、主快门8、螺旋相位板涡旋产生器18，该邻面入射式体全息存储介质13-2的一面与参考光路反射镜5的反射光路同一朝向，所述n＝5。
产生复合光学涡旋的结构还包括用于控制参考光和涡旋光光路上的快门的控制器15及计算机16。
本实施方式的存储方法为：记录时，激光光源1发出的激光经光束扩大器2后提供系统所需的平行光。平行光垂直入射到分束镜6-1，入射光被分为两路：其反射光，经第一个参考光路快门7-1和参考光路反射镜5-1，构成记录所需的第一参考光R₁；其透射光，垂直入射到分束镜6-2，被分为两路：其反射光，经第二个参考光路快门7-2和参考光路反射镜5-2，构成记录所需的第二参考光R₂；……；其透射光，垂直入射到分束镜6-5，被分为两路：其反射光，经第5个参考光路快门7-5和参考光路反射镜5-5，构成记录所需的第五参考光R₅；其透射光，经第二反射镜4、主快门8后由螺旋相位板涡旋产生器18调制，构成记录所需的涡旋光。各参考光和涡旋光以不同夹角分别入射到邻面入射式体全息存储介质13-2的两相邻面并在其中干涉形成多重光栅，记录多个数据页。读取过程则将涡旋光光路阻断，用于记录时一致的参考光在相应的位置读取相应的数据页信息。
实施例三：
请参阅图5，其是本发明提出的复合光学涡旋的产生方法的第三实施方式的主要光路结构，包括激光光源1，依次设置在该激光光源1出射光路上的光束扩大器2、第一反射镜3、分束镜6-1，由设置在该分束镜6-1反射光路上的第一个参考光路快门7-1和参考光路反射镜5-1；在分束镜6-1透射光路上的分束镜6-2和反射光路上的第二个参考光路快门7-2和参考光路反射镜5-2；……；在分束镜6-n反射光路上的第n个参考光路快门7-n和参考光路反射镜5-n，在分束镜6-n透射光路上的第二反射镜4、主快门8、模式转换涡旋产生器19，参考光路反射镜5的朝向设置成使参考光与涡旋光在反射式体全息存储介质13-3的相对面入射，并在指定位置交叉干涉，所述n＝5。
产生复合光学涡旋的结构还包括用于控制参考光和涡旋光光路上的快门的控制器15及计算机16。
本实施方式的存储方法为：记录时，激光光源1发出的激光经光束扩大器2后提供系统所需的平行光。平行光垂直入射到分束镜6-1，入射光被分为两路：其反射光，经第一个参考光路快门7-1和参考光路反射镜5-1，构成记录所需的第一参考光R₁；其透射光，垂直入射到分束镜6-2，被分为两路：其反射光，经第二个参考光路快门7-2和参考光路反射镜5-2，构成记录所需的第二参考光R₂；……；其透射光，垂直入射到分束镜6-5，被分为两路：其反射光，经第5个参考光路快门7-5和参考光路反射镜5-5，构成记录所需的第五参考光R₅；其透射光，经第二反射镜4、主快门8后由模式转换涡旋产生器19调制，构成记录所需的涡旋光。各参考光和涡旋光以不同夹角分别入射到反射式体全息存储介质13-3的相对面，并在其中干涉形成多重光栅，记录多个数据页。读取过程则将涡旋光光路阻断，用于记录时一致的参考光在相应的位置读取相应的数据页信息。
本发明不限于上述实施方案。
例如，在上述实施方案中，作为示例，使用了一种光学涡旋产生装置和一种体全息存储方式相结合。但有多种光学涡旋产生装置，多种类型的体全息存储介质，只要是其中任一组合都可以使用。在那种情况下，应当理解体全息存储系统整个部分的结构需要适当地修改。