一种数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及光学技术领域，公开一种数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法和系统，使用空间光调制器加载产生数字掩膜调制艾里光束的纯相位分布得到调制光，调制光经滤波、聚焦生成目标几何结构的光晶格；通过改变所述数字掩膜函数得到不同几何结构的光晶格，所述数字掩膜调制艾里光束的初始光场分布在柱坐标系中表示为：所述数字掩膜函数为离散数字的空间分布函数；本发明专利技术仅需一束激光即可产生人工可控的光晶格，在不改变光路的情况下，可实现复杂形状的特种光晶格动态调控，对光晶格的几何结构、空间延展性均可控，在光捕获、量子模拟等领域有广泛的应用前景。应用前景。应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法和系统


[0001]本专利技术涉及光学
，具体涉及一种数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法和系统。

技术介绍

[0002]光晶格是具有周期性结构的光场，在光操控、量子模拟以及光子钟等领域有广泛应用。光晶格在空间中产生周期性的光势阱可用于微粒以及原子的捕获。使用光晶格束缚冷原子团后，冷原子团也产生具有光晶格的排列结构，是一个理想人工可控的量子系统，可用于量子模拟，进而研究固态晶体中难以观察到的物理效应。
[0003]一般而言，光晶格可由多束激光干涉形成。其中，光晶格的几何结构可由激光束的几何形状与数量控制，而周期性及晶格参数则通过不同激光束之间的夹角控制。然而，光晶格结构的调控是一项十分具有挑战性的任务。一方面，光晶格的周期性对光束的夹角十分敏感，这对激光束的控制精度与稳定性要求极高；另一方面，对于复杂结构的光晶格而言，激光束的增加使得光束的准直、对准也变得十分困难。综上所述，如何简单、稳定地产生具有复杂结构的光晶格仍是实验与应用上亟需解决的问题。
[0004]利用结构光场产生光晶格是一种简单、灵活可控的方法。通过空间光调制器对入射光进行复振幅调制，得到具有特定振幅与相位分布的结构光场，进而得到具有特定几何结构的光晶格。实验上仅需通过计算机切换加载到空间光调制器上的相位分布即可改变生成的光晶格，实现光晶格结构与周期性的调控。相较于传统的多光束干涉法，结构光场产生光晶格光路简单且实时可调，仅需一束激光，在不改变光路的情况下即可产生不同几何结构与周期性的光晶格。
[0005]相位型空间光调制器可直接调制入射光场的相位，使用时仅需通过控制程序加载、切换相位分布图，空间光调制器的反射光随即叠加上了对应的相位分布。相位型空间光调制器无法直接调制入射光场的振幅，但目前有多种算法可以实现复振幅的间接调制，其中光栅衍射法[Applied Optics 38,5004
–
5013(1999)]是目前使用广泛的一个算法，它将入射光的复振幅信息转化为衍射光栅的相位深度与密度。
[0006]CN114019690A公开了一种产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统，通过空间光调制器加载不同的任意阶交替光学涡旋阵列的全息图，产生光斑数目不同的光晶格点阵和带特定光晶格缺陷的有限光晶格阵列。但对于结构多样、复杂的光晶格的产生，仍值得研究。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对产生特定的、复杂结构的光晶格产生较为困难的问题，提供一种采用空间光调制器加载数字掩膜调制艾里光束相位分布的方法，生成特定结构的光晶格，光晶格的几何结构、空间延展性可控，实验光路简单，在光捕获、量子模拟等领域有广泛的应用前景。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0009]一种数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法，包括步骤：使空间光调制器加载产生数字掩膜调制艾里光束的纯相位分布得到调制光，调制光经滤波、聚焦生成目标几何结构的光晶格；
[0010]所述纯相位分布为数字掩膜调制艾里光束的光场分布的纯相位信息；
[0011]所述数字掩膜调制艾里光束的光场分布在柱坐标系中表示为：
[0012][0013]其中，为数字掩膜函数，Ai(
·
)为艾里函数，r为径向坐标，为角向坐标，r0为圆艾里光主环半径，w为缩放因子，a为衰减因子，初始光场分布是在传输距离z＝0处的平面上的光强分布；
[0014]所述数字掩膜函数为离散数字的空间分布函数；通过改变所述数字掩膜函数得到不同几何结构的光晶格。
[0015]本专利技术利用空间光调制器加载数字掩膜调制艾里光束的纯相位分布对入射光进行调制，获得的调制光中一级衍射光即为艾里光束，可产生目标几何结构的光晶格；
[0016]所述纯相位分布为数字掩膜调制艾里光束的光场分布经光栅衍射法转化的纯相位信息。形式上是将光场分布的振幅信息A和相位信息Φ分离，再转化得到的纯相位分布为：
[0017][0018]其中，i为虚数单位；函数sinc
‑1(
·
)为辛格函数sinc(
·
)的反函，A为振幅信息，Φ为相位信息。
[0019]更具体地，光场分布的振幅信息A和相位信息Φ分离公式为：
[0020][0021]其中，i为虚数单位，A为振幅信息，Φ为相位信息。
[0022]通过调整数字掩膜函数得到不同分布的艾里光场分布，采用光栅衍射编码计算得到艾里光场分布的纯相位分布，将其加载到空间光调制器上，生成不同分布的数字掩膜艾里调制光场，经透镜聚焦后形成不同几何结构的光晶格。
[0023]优选地，所述空间光调制器为相位型空间光调制器,相位型空间光调制器可利用其高的光能量利用效率和高的衍射效率，使产生的光晶格质量更好。
[0024]优选地，调制光经4
‑
f系统滤波得到一级衍射光，一级衍射光聚焦生成目标几何结构的光晶格。
[0025]所产生光晶格的空间结构与数字掩膜形状有关，通过改变数字掩膜控制光晶格几何结构。优选地，所述数字掩膜函数为多边形或复合多边形结构的数字掩膜函数。
[0026]当多边形或复合多边形结构数字掩膜函数的内角个数为奇数时，光晶格中心的最近邻光点数量为内角个数的两倍；当多边形或复合多边形结构数字掩膜函数的内角个数为
偶数时，光晶格中心的最近邻光点数量等于内角数。
[0027]所述数字掩膜函数为多元离散数字的空间分布函数；如多边形、复合多边形结构的空间分布函数。
[0028]进一步优选地，当所述数字掩膜函数为0或1的二元多边形数字掩膜函数，得到的光晶格的中心为亮点，且中心光点强度最大，光点的强度随中心向外逐渐衰减；
[0029]进一步优选地，当所述数字掩膜函数为
‑
1，0或1的三元多边形数字掩膜函数，得到的光晶格呈万花筒状分布，光晶格中心为暗点，与中心暗点相邻的次外环强度最大，晶格光点的强度随次外环向外依次衰减。
[0030]本专利技术还提供一种数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的系统，采用所述的方法产生光晶格，所述系统包括按照光路设置的激光器、光纤、准直扩束系统、空间光调制器、4
‑
f滤波系统、透镜和光强分布探测器；
[0031]所述激光器出射的线偏振光经光纤耦合整形后入射到准直扩束系统，整形后的激光光斑呈圆对称分布，经准直扩束后的激光入射到空间光调制器上，空间光调制器连接计算机软件加载产生数字掩膜调制艾里光束的纯相位分布得到获得调制光，调制光经4
‑
f滤波系统将一级光外的光滤除，产生的一级光经透镜聚焦生成目标几何结构的光晶格，用光强分布探测器测量光晶格的强度分布。
[0032]所述的准直扩束系统按照光路的设置依次包括半波片、偏振分光棱镜和共焦透镜组；
[0033]所述半波片固定在可旋转波片架上，旋转波片架可控制激光的偏振方向；所述偏振分光棱镜将入射线偏振光的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法，其特征在于，包括步骤：使空间光调制器加载产生数字掩膜调制艾里光束的纯相位分布得到调制光，调制光经滤波、聚焦生成目标几何结构的光晶格；所述纯相位分布为数字掩膜调制艾里光束的光场分布的纯相位信息；所述数字掩膜调制艾里光束的初始光场分布在柱坐标系中表示为：其中，为数字掩膜函数，Ai(
·
)为艾里函数，r为径向坐标，为角向坐标，r0为圆艾里光主环半径，w为缩放因子，a为衰减因子，初始光场分布是在传输距离z＝0处的平面上的光强分布；所述数字掩膜函数为离散数字的空间分布函数；通过改变所述数字掩膜函数得到不同几何结构的光晶格。2.根据权利要求1所述的数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法，其特征在于，所述纯相位分布为数字掩膜调制艾里光束的光场分布经光栅衍射法转化的纯相位信息。3.根据权利要求2所述的数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法，其特征在于，将光场分布转化为纯相位分布具体包括：将光场分布的振幅信息A和相位信息Φ分离，转化得到的纯相位分布为：其中，i为虚数单位；函数sinc
‑1(
·
)为辛格函数sinc(
·
)的反函，A为振幅信息，Φ为相位信息。4.根据权利要求3所述的数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法，其特征在于，光场分布的振幅信息A和相位信息Φ分离公式为：其中，i为虚数单位，A为振幅信息，Φ为相位信息。5.根据权利要求1所述的数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法，其特征在于，所述空间光调制器为相位型空间光调制器。6.根据权利要求1所述的数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法，其特征在于，调制光经4
‑
f系统滤波得到一级衍射光，一级衍射光聚焦生成目标几何结构的光晶格。7.根据权利要求1所述的数字掩膜调制艾里光束产生光晶格的方法，其特征在于，所述数字掩膜函数为多边形或复合多边形结构的数字掩膜函数；当多边形或复合多边形结构的数字...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立刚，陈来，孙培晟，张俊香，王成锋，
申请(专利权)人：儒通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：