本申請涉及拓撲光子學，特別是涉及一種基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的裝置及方法。

背景技術：

1、渦旋光束因其特異的螺旋等相位面而具有軌道角動量，也因此在光束中心存在相位奇點，進而導致光強在中心出現中空的分布，正是渦旋光這些特殊的性質而日漸成為研究熱點。渦旋光自身的軌道角動量由拓撲荷描述，這可以為光子提供額外的自由度，渦旋陣列是由多個渦旋光束按照一定方式排列組成，這些獨特的相位和光強分布使其在光學通信、量子信息、光學傳感、光學顯微成像、激光加工、光鑷等領域具有更廣闊的應用前景和重要的應用價值。

2、目前制備渦旋光束和渦旋陣列的方法主要有柱透鏡法、空間光調制器法、相位板法、叉形全息圖法、q板法以及超表面方法等。但這些辦法存在制作成本高、對陣列的調控度低等缺點。

技術實現思路

1、本申請的目的是提供一種基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的裝置及方法，可提高對渦旋光陣列的排列調控自由度，且可實現渦旋陣列拓撲荷數的反轉，操作簡單。

2、為實現上述目的，本申請提供了如下方案：

3、第一方面，本申請提供了一種基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的裝置，包括激光器、針孔濾波器、第一透鏡、反射式空間光調制器、偏振分光棱鏡、陣列光和探測光光路、參考光光路、分光棱鏡及光斑分析儀器；所述陣列光和探測光光路至少包括鈮酸鍶鋇晶體，用以形成和探測蜂窩型排列的石墨烯光子晶格；

4、所述激光器發出高斯光束，依次經過所述針孔濾波器及第一透鏡，轉換為平面波；所述平面波經過所述偏振分光棱鏡分束后，一光束經過所述反射式空間光調制器加載的預設相位模板的調控，形成在所述鈮酸鍶鋇晶體中構造出蜂窩型晶格的陣列光束和用于探測蜂窩型晶格拓撲奇點的探測光束；另一光束作為參考光，直接經由所述參考光光路，在所述分光棱鏡處與所述探測光束合束后進入所述光斑分析儀器，用以驗證所述探測光束為渦旋光束陣列；

5、其中，兩個光路輸出的光在所述分光棱鏡處合束后發生干涉得到干涉圖，依據所述干涉圖中分叉的位置、個數及方向，確定所述渦旋光束陣列的渦旋分布及每個渦旋的拓撲荷數。

6、第二方面，本申請提供了一種基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的方法，應用于基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的裝置，所述方法包括：

7、確定預設相位模板及預設的入射光位置，并將所述預設相位模板加載至反射式空間光調制器；

8、通過激光器發出高斯光束，依次經過針孔濾波器、第一透鏡及偏振分光棱鏡后，得到兩個光束；

9、一光束經過所述反射式空間光調制器加載的所述預設相位模板調控，形成在鈮酸鍶鋇晶體中構造出蜂窩型晶格的陣列光束，并結合位于陣列光和探測光光路內的半波片的調整，以在所述鈮酸鍶鋇晶體的前表面形成用于探測蜂窩型晶格拓撲奇點的多極子探測光束；另一光束作為參考光，直接經由參考光光路，在分光棱鏡處與所述多極子探測光束合束后進入光斑分析儀器；

10、依據所述預設的入射光位置，調節所述多極子探測光束的位置，以激發蜂窩型排列的石墨烯光子晶格的不同贗自旋態，使生成的渦旋光束陣列的拓撲荷數發生反轉。

11、根據本申請提供的具體實施例，本申請公開了以下技術效果：本申請通過激光器發出高斯光束，實現入射光形態的調整；高斯光束依次經過針孔濾波器及第一透鏡轉換為平面波；平面波經過偏振分光棱鏡分束后，一光束經過反射式空間光調制器加載的預設相位模板的調控，形成在鈮酸鍶鋇晶體中構造出蜂窩型晶格的陣列光束和用于探測蜂窩型晶格拓撲奇點的探測光束；另一光束直接經由所述參考光光路，在分光棱鏡處與探測光束合束后進入光斑分析儀器，用以驗證探測光束為渦旋光束陣列。其中，通過反射式空間光調制器加載預設相位模板，以對平面波進行調控，實現對于同相或反相的選擇調整。通過上述多個部件的協作，本申請可通過對入射光形態與相位的選擇，實現對于渦旋光陣列的自由排列調度，且可實現渦旋陣列拓撲荷數的反轉，操作簡單。

技術特征：

1.一種基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的裝置，其特征在于，所述裝置包括激光器、針孔濾波器、第一透鏡、反射式空間光調制器、偏振分光棱鏡、陣列光和探測光光路、參考光光路、分光棱鏡及光斑分析儀器；所述陣列光和探測光光路至少包括鈮酸鍶鋇晶體，用以形成和探測蜂窩型排列的石墨烯光子晶格；

2.根據權利要求1所述的基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的裝置，其特征在于，所述陣列光和探測光光路還包括直流電源、4f系統及第四透鏡；所述4f系統包括依次設置的第二透鏡、第一半波片、濾波器及第三透鏡；

3.根據權利要求1所述的基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的裝置，其特征在于，所述參考光光路包括依次設置的第二反射鏡、第二半波片及第三反射鏡。

4.一種基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的方法，應用于權利要求1-3任一項所述的基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的裝置，其特征在于，所述方法包括：

5.根據權利要求4所述的基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的方法，其特征在于，所述預設相位模板對應生成不同入射光形態，至少包括多極子及對應的排列方式；

6.根據權利要求4所述的基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的方法，其特征在于，所述預設相位模板包括同相位和反相位偶極子相位模板、同相位和反相位四極子相位模板、同相位和反相位六極子相位模板。

7.根據權利要求4所述的基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的方法，其特征在于，所述方法還包括：

8.根據權利要求4所述的基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的方法，其特征在于，所述方法還包括：

技術總結
本申請公開了一種基于拓撲奇點產生渦旋陣列光的裝置及方法，涉及拓撲光子學技術領域，包括激光器、針孔濾波器、第一透鏡、反射式空間光調制器、偏振分光棱鏡、陣列光和探測光光路、參考光光路、分光棱鏡及光斑分析儀器；陣列光和探測光光路包括鈮酸鍶鋇晶體，以形成和探測蜂窩型排列的石墨烯光子晶格；平面波經偏振分光棱鏡分束，一束經反射式空間光調制器加載預設相位模板的調控，形成在鈮酸鍶鋇晶體中構造出蜂窩型晶格的陣列光和探測蜂窩型晶格拓撲奇點的探測光束，另一光束作為參考光與探測光合束后進入光斑分析儀器以驗證得到探測光為渦旋光束陣列。本申請可提高對渦旋光陣列的排列調控自由度，且可實現渦旋陣列拓撲荷數的反轉，操作簡單。

技術研發人員：劉秀英,劉君萍,宋道紅,黃紹偉,康明,劉飛飛,程文濤
受保護的技術使用者：天津師范大學
技術研發日：
技術公布日：2026/2/5