本實用新型涉及渦旋光技術領域，尤其涉及一種渦旋光場產生裝置。
背景技術：
渦旋光束是指一類具有連續螺旋狀波前相位和具有確定光子軌道角動量的特殊光束。其螺旋相位中心處的光強為零，且中心處的相位無法確定。其最為一般的特征是其電場表達式含有相位因子exp(imθ)，其中m稱為拓撲電荷數。由于光學渦旋具有獨特的相位和光強分布及具有較大的軌道角動量，從而在光學微操縱、自由空間光通信、量子信息論和光控光開關等領域得到了廣泛的研究和應用。自1989年，人們首次引入了“光學渦旋”這一概念以來。渦旋光束的研究僅有幾十年的時間，但已然成為現代光學領域的一個重要分支。
而目前，產生渦旋光束的方法主要有幾何模式轉化法、螺旋相位板法和計算全息法三種。其中，前兩種方法對光學器件的制作精度要求較高，制作較難，不靈活，產生渦旋光束的參數也難以控制；計算全息法應用比較廣泛，具有靈活、快速和計算機實時可控等優點，但是衍射效率較低(最高為27.5％)，無法抑制不需要的衍射級，對全息圖的精確度也要求嚴格，光路較復雜。除此之外，隨著液晶空間光調制器(LCSLM)制作工藝的不斷提高，2002年Jennifer提出利用反射式純相位型LCSLM產生渦旋光束的方法。此方法與計算全息法一樣，具有動態、實時、響應時間快、高的控制精度和分辨率等優點。同時，與計算全息法相比，還具有能量轉換效率高(可達60％以上)、技術簡單和便于集成到光學系統中等優點。
但是，由于連續激光的高單色性，故直接利用以上三種方法產生的渦旋光束都是窄帶的渦旋光束，且能產生的渦旋光的頻率的種類也比較少。這對于要 使用寬帶渦旋光的應用是不利的。
技術實現要素：
本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種渦旋光場產生裝置，旨在解決現有技術中對窄帶渦旋光束進行轉換的問題，以獲得寬帶渦旋光束，并實現非線性波長轉換。
本實用新型是這樣實現的，一種渦旋光場產生裝置，包括：用于產生窄帶渦旋光束的渦旋光產生系統、用于產生寬帶泵浦光的泵浦光產生系統、用于供所述寬帶泵浦光和窄帶渦旋光束入射并發生三波耦合非線性轉換以產生閑頻光的非共線光參量放大器，所述閑頻光具有寬帶渦旋光場，且與所述窄帶渦旋光束在拓撲電荷數上具有互逆關系，還包括位于所述非共線光參量放大器的輸出光路上的用于對所述閑頻光進行模式分析和記錄的模式記錄分析系統。
作為本實用新型的優選技術方案：
所述泵浦光產生系統包括用于產生基頻光的飛秒級的脈沖激光器、依次設置于所述脈沖激光器的輸出路徑上的倍頻單元、用于分離所述基頻光和倍頻光的波長分束器、設置于所述波長分束器的透光側的擋板以及設置于所述波長分束器的反光側的倍頻光擴束單元。
所述泵浦光產生系統還包括位于所述脈沖激光器和倍頻單元之間的縮束器，以及位于所述倍頻光擴束單元和所述光參量放大器之間的反射鏡組。
所述渦旋光產生系統包括產生窄帶連續激光的連續照明激光器，以及用于接收所述窄帶連續激光并產生窄帶渦旋光束的空間光調制器。
所述渦旋光產生系統還包括依次設置于所述連續照明激光器和所述空間光調制器之間的第一光闌、起偏器、用于將所述窄帶連續激光的光斑尺寸變大并準直為平行光束的連續激光擴束單元、用于控制所述平行光束入射到所述空間光調制器上的有效面積的第二光闌，以及分束器，所述空間光調制器設置于所述分束器的透光側，還包括設置于所述分束器的反光側的用于使所述窄帶渦旋 光束的+1級衍射光通過并去除其他級次衍射光的影響的第三光闌，以及用于聚焦所述窄帶渦旋光束以便進行非線性轉換的第一透鏡。
所述空間光調制器為反射式純相位空間光調制器。
所述寬帶泵浦光與窄帶渦旋光束非共線入射所述光參量放大器，所述閑頻光與所述非共線光參量放大器輸出的其他光束非共線。
所述模式記錄分析系統包括設置于所述閑頻光的輸出光路上的模式分析器、第二透鏡以及成像裝置。
所述成像裝置為CCD。
本實用新型基于非共線光參量放大技術，通過渦旋光產生系統產生具有一定拓撲電荷數的窄帶渦旋光束，通過泵浦光產生系統產生寬帶泵浦光，并將寬帶泵浦光和窄帶渦旋光束入射非共線光參量放大器，在該非共線光參量放大器中泵浦窄帶渦旋信號光以發生三波耦合，進行帶寬、頻率及能量的非線性轉換，獲得改變了拓撲電荷數的閑頻光，該裝置不但將窄帶渦旋轉換為寬帶渦旋，同時可實現波長、頻率轉換，并且產生的渦旋相位可靈活控制，具有寬帶，高增益，實時轉換的特性，解決了傳統渦旋光束帶寬較窄、頻率種類較少的問題，滿足了寬帶渦旋光的應用需求。
附圖說明
圖1是本實用新型實施例提供的渦旋光場產生裝置的結構示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
參考圖1，本實用新型實施例提供一種渦旋光場產生裝置，包括用于產生窄帶渦旋光束的渦旋光產生系統10、用于產生寬帶泵浦光的泵浦光產生系統20、非共線光參量放大器30以及模式記錄分析系統40；窄帶渦旋光束入射非 共線光參量放大器30形成窄帶渦旋信號光，寬帶泵浦光入射非共線光參量放大器30，用于泵浦窄帶渦旋信號光以發生三波耦合非線性轉換，包含頻率、帶寬、拓撲電荷數和能量的轉換，產生具有寬帶渦旋光場的閑頻光，該閑頻光與窄帶渦旋信號光在拓撲電荷數上具有互逆關系，閑頻光自非共線光參量放大器30輸出后，通過模式記錄分析系統40進行閑頻光檢測與記錄分析，以獲得轉換的效果。
本實用新型實施例基于非共線光參量放大技術，通過渦旋光產生系統10產生具有一定拓撲電荷數的窄帶渦旋光束，通過泵浦光產生系統20產生泵浦光，并將寬帶泵浦光和窄帶渦旋光束入射非共線光參量放大器30，在該非共線光參量放大器30中泵浦窄帶渦旋信號光以發生三波耦合并進行非線性轉換，獲得改變了拓撲電荷數的具有寬帶渦旋光場的閑頻光，不但將窄帶渦旋轉換為寬帶渦旋，同時可實現波長、頻率轉換，并且產生的渦旋相位可靈活控制，具有寬帶，高增益，實時轉換的特性，解決了傳統渦旋光束帶寬較窄、頻率種類較少的問題，滿足了寬帶渦旋光的應用需求。
在本實用新型實施例中，泵浦光產生系統20包括飛秒級的脈沖激光器201，用于產生超短脈沖的基頻光，在基頻光的傳輸路徑上設置倍頻單元202、波長分束器203，倍頻單元202用于對超短脈沖基頻光進行倍頻，波長分束器203的透光側設有擋板204，反光側設置倍頻光擴束單元205。經過倍頻單元202輸出的光束含有基頻光和倍頻光，其中，基頻光經波長分束器203透射后由擋板204吸收，上轉換的倍頻光經波長分束器203反射后，再經過倍頻光擴束單元205進行擴束，得到寬帶泵浦光，同時通過擴束盡可能達到將窄帶渦旋信號光完全泵浦的目的。
進一步地，在脈沖激光器201和倍頻單元202之間還設有縮束單元206，用于將超短脈沖激光的光斑變小，在倍頻光擴束單元205和非共線光參量放大器30之間還設有反射鏡組207，用于折疊光路，以減小占用空間。非共線光參量放大器30位于反射鏡組207之后的光路上。
當然，還可以在非共線光參量放大器30后設置若干反射鏡以壓縮光路，在不同的應用場景中，反射鏡的數量和安裝位置可以根據需要做出變動。
在本實施例中，渦旋光產生系統10包括連續照明激光器101，用于產生窄帶連續激光，還包括空間光調制器102，用于接收窄帶連續激光并產生具有一定拓撲電荷數的窄帶渦旋光束。進一步地，在連續照明激光器101和空間光調制器102之間設有：第一光闌103、起偏器104、連續激光擴束單元105、第二光闌106以及分束器107，其中，第一光闌103靠近連續照明激光器101設置，起偏器104用于獲得線偏振光，連續激光擴束單元105用于將窄帶連續激光的光斑尺寸變大并準直為平行光束，第二光闌106用于控制該平行光束入射到空間光調制器102上的有效面積，空間光調制器102設置于分束器107的透光側，分束器107的反光側還設有第三光闌108以及第一透鏡109。上述平行光束經分束器107透射后進入空間光調制器102，轉換為窄帶渦旋光束，空間光調制器102優選為反射式純相位空間光調制器102，該窄帶渦旋光束經空間光調制器102反射輸出后再由分束器107反射至第三光闌108，第三光闌108用于使窄帶渦旋光束的+1級衍射光通過并去除其他級次衍射光的影響，經第三光闌108輸出的窄帶渦旋光束由第一透鏡109聚焦以便在非共線光參量放大器30中進行非線性轉換。具體地，該窄帶渦旋光束和寬帶泵浦光沿不同的方向入射到非共線光參量放大器30中，在其中發生三波耦合非線性轉換，產生寬帶的渦旋光場，即獲得閑頻光，并且在非共線的結構下分離出閑頻光。
在本實用新型實施例中，模式記錄分析系統40包括設置于閑頻光的輸出光路上的模式分析器401、第二透鏡402以及成像裝置403，其中，模式分析器401靠近非共線光參量放大器30設置，閑頻光經過模式分析器401進行模式分析后經過第二透鏡402成像于成像裝置403上，通過成像獲取閑頻光的信息，分析渦旋光轉換效果。成像裝置403可以采用CCD，也可以用其他記錄裝置。
在本實施例中，飛秒量級的脈沖激光器201可以選用800nm的鈦寶石飛秒激光器，或者其他波長飛秒激光器，但并不局限于上述幾種。泵浦光的波長可 以是基波，也可以是二次諧波、甚至是三次諧波，其泵浦光波長的選取取決于對窄帶渦旋信號光的參量放大效果和所要得到的閑頻光的波長。
本實用新型實施例選擇窄帶連續激光入射到空間光調制器102產生可控拓撲電荷數的窄帶渦旋光，利用光學系統將該窄帶渦旋光入射到非共線光參量放大器30上，當寬帶泵浦光在此光參量放大器中與連續的窄帶渦旋光相遇時，發生帶寬、頻率和拓撲荷數及能量的轉換，根據三波耦合非線性作用原理，從非共線光參量放大器30產生的閑頻光攜帶有與窄帶渦旋信號光的拓撲荷數互逆的寬帶渦旋光。利用模式分析器401和成像裝置403如CCD相機分別分析和記錄所產生的寬帶閑頻光。在該裝置中，超短脈沖的寬帶泵浦光相當于寬帶激光源和能量供應器，而非共線光參量放大器30發生了帶寬、頻率、拓撲荷數轉換及能量轉換，所得閑頻光能量的增益既取決于非共線光參量放大器30的類型、厚度外，也取決于寬帶泵浦光的強度。
本實用新型還具有以下優點：所用連續照明激光器101結構緊湊，價格便宜，因而方便更換。連續照明激光器101發出的連續激光的波長可以根據所需要得到的閑頻光的波長進行選取，也可以選用可調諧激光器，波長選擇非常方便。
飛秒量級的脈沖激光可以有高達幾百GW/cm2的泵浦強度，具有高參量增益和寬帶特性，有利于提高轉換效率及適用弱信號的放大。
使用連續激光產生窄帶渦旋光束與超短脈沖的寬帶泵浦光相互作用，無需同步裝置，使該裝置空間結構更加緊湊。
以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。