[发明专利]一种构建完美Lommel涡旋光束的方法

说明书

本发明公开一种构建完美Lommel涡旋光束的方法。本发明通过胶片加载Lommel函数频谱的振幅图，通过相位型空间光调制器加载锥相位叠加Lommel函数频谱的叠加相位分布图；将胶片紧贴空间光调制器，入射的平行光经胶片振幅调制，光束具有Lommel函数频谱的振幅分布，再经过空间光调制器进行相位调制，精确产生Lommel光束；Lommel光束经过消色差傅里叶变换透镜，精确产生完美Lommel涡旋光束。利用这种方法，可以精准地产生完美Lommel涡旋光束，而且光能利用率高，形态丰富。

技术领域

本发明涉及光束的产生、调控与变换技术，是一种利用胶片调制元件和空间光调制器， 分别调制入射光束的分布和振幅相位。通过同时两种调制元件的方式，在自由空间精确产生 完美Lommel涡旋光束(Perfect Lommel vortex beams，以下简写为PLVBs)的方法。

背景技术

1987年，Durnin首次提出无衍射光束的概念。在自由空间传播过程中，自由空间亥姆霍 兹方程在柱坐标下有一组传播不变的贝塞尔函数解，并提出基于环缝法产生第一种无衍射贝 塞尔光束(Bessel)[Phy.Rev.Lett.，1987，58(15)：1499-1501]，其光束横截面可以在较长的传 输距离内保持不变。高阶贝塞尔光束是一种经典的无衍射光学涡旋，它的特征是一个黑暗的 中心核和轨道角动量(OAM)。光学涡旋被广泛应用于激光加工，光学捕获，空间通讯，量子 光学等领域。

但是，具有径向对称轨道角动量(OAM)的经典光学涡旋或高阶贝塞尔模中央暗核的尺寸 在很大程度上取决于其拓扑荷数。这种光学特性在应用于某些研究领域时可能会造成一些技 术障碍。例如，当多个OAM光束耦合到具有固定环形折射率的光纤时。对于经典的光学涡 旋，由于其半径随拓扑电荷线性增加，在OAM多路光纤通信系统中，高阶涡旋的耦合效率 急剧下降，这种变化的环形尺寸是不被期望的[OFC 2014,Th2A.24]。

2013年，Ostrovsky和他的同事首次提出了完美涡旋光束的概念，即光学涡旋的半径不依 赖拓扑荷值[Opt.Lett.,2013,38(4):534-536.]，理论上是贝塞尔光束的傅里叶变换。但是，完美 涡旋光束是单一半径的圆环，在实际应用过程中，不同的科学研究需要不同形态的光学涡旋， 因此，构建多样化的光学涡旋分布形态，成为一个新的问题。

随着科学研究进展，科学家发现了一种非傍轴无衍射光束——Lommel光束[OptLett， 2014，39(8):2395-2398]。Lommel光束具有足够丰富的光学形态。Lommel光束作一个更有 价值的特点，其光学形态可受非对称参数调制。特别是，在传播过程中，由于携带分数阶轨 道角动量，使其在信息传输方面具有更大的应用潜力。与高阶贝塞尔光束类似，Lommel光束 中央暗核的尺寸取决于其拓扑核数。

考虑到Lommel光束可展开为一系列具有相同传输参数不同阶次的贝塞尔光束的叠加， 同时基于过去对贝塞尔光束的傅里叶变换，可以产生暗核尺寸不随拓扑核数改变的完美涡旋 光束的方法，本发明通过采用稳相法和傅里叶变化法产生一种新的完美涡旋光束——完美 Lommel涡旋光束。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种构建完美Lommel涡旋光束的方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明分为两步：

(1)基于稳相法构建Lommel光束；

(2)基于透镜的傅里叶变换特性，对Lommel光束做傅里叶变换，产生完美Lommel涡旋光束；

具体是：

通过胶片加载Lommel函数频谱的振幅图，通过相位型空间光调制器加载锥相位叠加 Lommel函数频谱的叠加相位分布图；