[发明专利]一种利用计算全息图产生涡旋光束的方法

说明书

技术领域

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

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 ，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。Allen在1992年Physical Review A杂志45(11): 8185-8189发表的“Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes”，该文证明了上述涡旋光束中每个光子均携带有大小的轨道角动量。 

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^*。 

产生涡旋光束的方法主要有模式转换法、螺旋相位板法^% (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。 

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。 

^#  S. M. Barnett and L. Allen， “Orbital angular momentum and nonparaxial light beams，” Opt. Commun. 110(5)， 670-678 ， 1994； 

^*  S. F. Arnold， L. Allen， M. Padgett. Advances in optical angular momentum[J]. Laser & Photonics Reviews， 2008， 2(4): 299-313， 2008；

^%  V. V. Kotlyar， A. A. Kovalev， R. V. Skidanov， O. Y. Moiseev， and V. A. Soifer， “Diffraction of a finite-radius plane wave and a Gaussian beam by a helical axicon and a spiral phase plate，” Opt. Soc. A， 24(7)， 1955-1964， 2007；

^&  A. S. Ostrovsky， C. R. Parrao， and V. Arrizon， “Generation of the “perfect” optical vortex using a liquiu_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。

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“Optimal annulus 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。