[发明专利]一种干涉方式产生高阶光学涡旋光束的掩模板设计方法

说明书

一种干涉方式产生高阶光学涡旋光束的掩模板设计方法，将多个拉盖尔‑高斯光束的部分叠加，得到其空间重叠场的电场表达式；结合多个拉盖尔‑高斯光束的相位、振幅以及一个闪耀光栅，得到该掩模板的复透过率函数。本发明所设计的干涉方式产生高阶光学涡旋光束掩模板在远场产生拓扑荷值可控的高阶光学涡旋光束，该高阶光学涡旋光束受叠加的拉盖尔‑高斯光束决定，包括叠加光束的拓扑荷值决定高阶光学涡旋光束的拓扑荷值，叠加光束之间的权重因子决定高阶光学涡旋的强度分布，叠加光束的初始相位因子j决定高阶光学涡旋暗核的结构。本发明具有无接触产生以及小型化发展的特点，因而在光学微操纵、光通信、量子纠缠等领域具有重要的价值。

技术领域

本发明涉及光学微操纵及量子信息编码领域，具体说的是一种干涉方式产生高阶光学涡旋光束的掩模板设计方法。

背景技术

在过去的十几年中，光学涡旋在光学微操纵、光通信、手性微结构成型等领域具有重要的应用。经过30多年的发展，光学涡旋的基本问题和应用边界仍在不断扩大，特别是高阶光学涡旋。高阶光学涡旋光束携带更多的轨道角动量，在光学微操纵[Nanophotonics,10:2487(2021)]、光通信[Nat.Commun.,11:3875(2020)]、量子纠缠[Light:Sci.Appl.,5:e16157(2016)]领域具有重要的研究意义。传统产生高阶光学涡旋光束的方法是利用光与物质相互作用，包括螺旋相位板[J.Opt.Soc.Am.A,22:849(2005)]和空间光调制器[Opt.Lett.,38:534(2013)]。但是，目前高阶光学涡旋光束的产生无法避免相关产生器件的材料缺陷和分辨率所带来的限制。幸运的是，多波干涉作为一种干涉方式产生光学涡旋的技术，具有非接触产生和小型化调制的潜力，可以缓解即将到来的危机。但是，利用光束干涉方法产生的光学涡旋只能是低阶光学涡旋光束，这限制了相关应用的发展。原因在于高阶光学涡旋光束的相位调制深度在三维空间中大于2π。而干涉方式产生的相位调制深度小于2π，这给高阶光学涡旋光束的产生带来很大的困难。因此，为突破高阶光学涡旋光束产生过程中的调制深度限制，迫切要求一种干涉方式产生高阶光学涡旋光束。

综上所述，在光学微操纵及量子信息编码领域，尚缺少一种通过干涉方式产生高阶光学涡旋光束的产生方法，用以应对高阶光学涡旋光束产生过程中的调制深度限制。

发明内容

为解决上述不足，本发明的目的是提供一种干涉方式产生高阶光学涡旋光束的掩模板设计方法，通过该掩模板产生拓扑荷值可控的高阶光学涡旋光束，在光学微操纵、光通信、量子纠缠等领域具有非常重要的应用价值。

该发明利用计算全息原理，通过光场的部分空间叠加，利用原始光场的相位周期作为额外的相位来补充调制深度的不足。使用提供角向相位谱的拉盖尔-高斯光束进行部分空间叠加干涉，从而在远场产生该高阶光学涡旋光束。这种高阶光学涡旋光束具有无接触产生以及小型化发展的特点，因而在光学微操纵、光通信、量子纠缠等领域具有重要的价值。

本发明所采用的的技术方案是：一种干涉方式产生高阶光学涡旋光束掩模板的设计方法，步骤如下：

S1、将多个拉盖尔-高斯光束的部分叠加，其空间重叠场的电场表达式可以表示为：

其中，(r,φ)表示坐标系；ω₀为高斯光束束腰半径；N表示叠加光场的数量；表示第n个叠加光场的相位差因子，用于调节产生的单位光学涡旋的角向位置；P_n表示第n个叠加光场的权重因子，用于调节相邻叠加光场之间的叠加率；m_n表示第n个叠加光场的拓扑荷值，用于确定产生的高阶光学涡旋光束的拓扑荷值，即l₀＝(m_N-m₁)/d，其中d表示相邻叠加光场之间的拓扑荷值之差d＝m_n-m_n-1；i表示虚数单位；

S2、结合多个拉盖尔-高斯光束的相位、振幅以及一个闪耀光栅，得到所述干涉方式产生高阶光学涡旋光束的掩模板的复透过率函数，其复透过率函数具体表达式为：