基于空间光调制器的涡旋光激光器的设计方法研究

陈伟 王碧熙 李星月 韩小英 贾姣 刘茹梦

（西安文理学院 机械与材料工程学院，西安 710065）

摘要 涡旋光束是当前信息光学领域的一个研究热点。本文基于涡旋光束的生成方式进行研究，主要通过螺旋相位板法、空间光调制器法、全息图法产生稳定传输的涡旋光束。同时本文以空间光调制器方法为主，在空间中对光的相位进行调控，实现光的相位改变，同时依据涡旋光的原理设计光路图以及制定实施方案，从而制作出一款基于空间光调制器的涡旋光激光器。

关键词：涡旋光束；相位；空间光调制器；涡旋光激光器

1．国内外研究现状

涡旋光从光子传统维度突破到空间新维度，在光学微操控操纵、高分辨率显微镜、超分辨率成象、传感、光镊、精密测量、量子科学、天文学和光通信等领域中均有着非常重要且广泛的应用价值[1，2]。在光镊技术方面，涡旋光可以非接触、无损害的对细胞或粒子等进行捕获和移动[3]；在光学微操控操纵时，涡旋光可以产生并携带不同轨道角动量的光束，从而对微粒进行复杂而多样的操控与操纵。因此涡旋光束的研究、产生和应用都十分重要。

空间光调制器作为一种可以对光束的物理信息（如偏振态、幅度、相位等）中的部分信息或者全部信息实现空间调制的光学器件，能简单方便的产生出性质稳定的涡旋光。本文基于空间光调制器在高功率激光装置上的应用进行理论分析与集成光路的搭建，设计出一种光学系统简单易行、实时可控的涡旋光激光器，帮助人们开展相关领域的实验研究。

2. 涡旋光束的产生方法

2.1全息图法

全息图法是指利用光的干涉和衍射性质，借助计算机编程来实现光束到涡旋光的转变。也称计算全息法。具体操作是将光束的干涉条纹的信息记录到叉形感光光栅片中，照射感光片，通过衍射，借助计算机就可以合成涡旋光束。相位是区分普通光束与涡旋光束的重要特征，涡旋光具有螺旋形的相位因子(为拓扑荷数，为方位角)，相位呈连续螺旋状，光路也成连续螺旋状向前传播。螺旋结构的涡旋光可以捕获粒子并驱使粒子发生移动，且过程中产生巨大能量。

2.2 螺旋相位板法

螺旋相位板又称为螺旋相位片，当光束经过螺旋相位板时，由于它的厚度会随着方位角的变化而发生改变，所以会改变光束的相位结构，使经过的光具有涡旋的特性。螺旋相位板会改变通过的光束的相位，而不改变通过的光束的强度。基于螺旋相位板得出的涡旋光束具有精度高、高能量效率的特点。

2.3 空间光调制器法

空间光调制器易于操作并且能产生较好的成像效果，它可以对光波的幅度、相位、偏振态等物理信息中的一部分或者全部实现空间调制，在主动控制下，它可以通过液晶分子调制光场的某个参量，在空间中对光的相位进行调控，通过空间光调制器的相位调控单元，从而将一定的信息输入光波中，达到光的相位改变，最终得到生成的涡旋光。

3．基于螺旋相位板法的涡旋光激光器的制作

在前期研究了涡旋光的基本原理及产生方法的基础上，本文设计了基于空间光调制器的涡旋光激光器，基本光路如下图一所示：

图1 涡旋光激光器光路图

如图所示实验基于空间光调制器产生涡旋光的原理制作涡旋光激光器，确定所需光学元件以及光路的调整，到依据光路的变化，构建光路模型，完成了涡旋光激光器装置的光路设计。首先，He-Ne 激光器发出的光在经过衰减片与偏振片后，能够将垂直偏振的光过滤掉，只保留水平方向上的偏振；当改变后的激光束经过由透镜1与透镜2组成的扩束系统后，入射到相位叠加图的空间光调制器（SLM)上，SLM即可利用计算机的编码技术产生计算全息图，之后直接输入到液晶空间光调制器的显示屏上得到相位全息图，通过光的照射之后就可以产生光学涡旋，产生理想状态涡旋光，此后再经过反射镜改变光束的传播方向，利用透镜聚焦至 CCD 观测图像，选出需要的达到要求的涡旋光。最后准确量取涡旋光激光器的集成光路中各个光学器件的尺寸和间距，确定好涡旋光激光器的外型，用亚克力板进行封装成型。

图2不同功率的涡旋光横截面输出图

如图所示为不同功率的涡旋光横截面输出图，激光器波长为780nm，采用近红外CCD进行光信号采集，通过左图我们发现涡旋光程环状图像，中心光强为暗斑，整体光强较弱，光强分布较为均匀。左图为光强较强时的横截面输出图，我们发现虽然有明显的光强为零的相位奇点，但是整体光强均匀性降低，这就对光路的精准度提出了更高的要求。实验上通过液晶分子调制光场的某个参量，在空间中对光的相位进行调控，通过空间光调制器的相位调控单元，从而将一定的信息输入光波中，达到光的相位改变，最终得到生成的涡旋光。

4小结

本项目中，我们将通过空间光调制器产生涡旋光，利用涡旋光束的特性及原理，设计出涡旋光激光器的光路图，并制作出涡旋光激光器。基于空间光调制器的涡旋光激光器来进一步促进涡旋光在信息光学领域的地位，同时在光学实验中学生不用利用课堂大部分时间通过多个光学仪器寻找角度来产生涡旋光，这时我们这台涡旋光激光器只需要打开开关，通过改变相关数值，就可以在显示屏上观察涡旋光的变化。基于涡旋光课题在理论和实践中深入研究是非常有价值的。

参考文献

[1]徐丽娟.涡旋光束的产生及特性研究[D]杭州;浙江大学，2014,6-10.

[2] Zhang Y, Li Y Y, Zhang Y Z. Modulation of controlled-not gate using light beams carrying orbital angular momentum in a nonlinear atomic vapor[J]. Europhysics Letters, 2018, 121(5):54001.

[3]Zhang Y, Li Y, Hao M, et al. Controllable A-T Splitting and Spatial Splitting Inside a Cascade Three-Level Atomic System[J]. Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, 2021(5):16.