一种测量光束涡旋的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测量光束涡旋的方法及其装置。其结构为：按携带涡旋的光束入射方向依次设置长轴相互垂直的第一柱面镜和第二柱面镜，在距离第二个柱面镜的反位相平面上设置一个电荷耦合器件，电荷耦合器件测量得到的光强分布数据输入计算机。本发明专利技术根据测量得到的光强分布数据，计算得到光束在平面上关联结构的二维分布，用于判断被测光束所携带的涡旋数目和涡旋方向。本发明专利技术利用相互垂直的柱面镜组合的光学系统和关联函数计算方法，能精确测量光束所携带的涡旋的方向和数目，适用于信息存储、光学通信、粒子操控等领域。测量装置简单实用，测量精确，具有实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测量光束涡旋的方法及其装置，能精确测量光束所携带的涡旋的方向和数目，适用于信息存储、光学通信、粒子操控等领域，属于应用光学

技术介绍
光束涡旋是指光场中的奇点，在此位置点的光场强度和位相都没有定义，此外，在此点附近光场的波前分布呈螺旋状，因此被命名为光束涡旋。由于光场位相的螺旋状分布，光束涡旋就可以携带有轨道角动量，正因如此，光束涡旋具有广泛的应用价值，比如在光束的俘获、原子操控、信息存储、以及通信技术等领域具有广泛的应用前景。根据光束涡旋的螺旋位相的几何形状，可用拓扑荷数来描述其在一个波长范围内所携带的完整的螺旋个数。拓扑荷数一般是整数且可以为正或者负，正负取决于螺旋的方向，一般来讲，左旋的螺旋数方向为正，右旋的螺旋数为负。（参见文献：P.Coullet,L.GilandF.Rocca,“Opticalvortices,”Opt.Commun.73,403–408(1989)）。正因如此，如何来判断光束涡旋的方向和数目在实际应用中具有重要的价值。例如，在光学存储和通信中可以通过光束涡旋的方向和数目提高存储的密度和信息容量；在涡旋干涉仪中产生的光学涡旋晶格的方向分布可以用来用于连续位相测量等等。以往光束涡旋方向和数目的判定主要采用自干涉法（参见文献：K.Piotr,M.Borwinska,andJ.Masajada,“Opticalvortexsigndeterminationusingself-interferencemethods,”OpticaApplicataXL,165-175(2010)）、反位相变换法（参见文献：S.Prabhakar,A.Kumar,J.Banerji,andR.P.Singh,“Revealingtheorderofavortexthroughitsintensityrecord,”Opt.Lett.36,4398-4400(2011)）、失谐透镜法（参见文献：P.Vaity,J.Banerji,andR.P.Singh,“Measuringthetopologicalchargeofanopticalvortexbyusingatiltedconvexlens,”Phys.Lett.A377,1154-1156(2013)）等等，这些方法的基本原理是将圆对称的光束涡旋的强度分布转化成椭圆对称的厄米模式分布形式，然后通过椭圆厄米模式模数以及椭圆长轴方向，确定光束涡旋拓扑荷数的数目和方向。然而，这些测量光束涡旋方法的局限性在于：都只能利用强度分布测量相干长度较大的光束。现有技术还提出了利用关联测量拓扑荷数的方法（参见文献：ChengliangZhao,FeiWang,YuanDong,YujingHanandYangjianCai,“Effectofspatialcoherenceondeterminingthetopologicalchargeofavortexbeam,”Appl.Phys.Lett.101,261104(2012)）。但是，以上方法都不能够同时测量出低相干长度的光束所携带的涡旋数目和方向。在实际的应用中发现，低相干长度的涡旋光束在光束的传输、光束的整型以及粒子俘获等等，对比与高相干性的光束更具优势。而且，在自然界中绝大部分的光束的相干长度都很低（比如太阳光、LED等等）。如何来测量这一大类的光束的拓扑荷数具有重要的研究价值，但是到目前为止，还没有文献提出如何测量低相干长度光束拓扑荷数的大小和方向的方法和装置。综上所述，光束涡旋在因其特殊的位相分布形式，可以携带轨道角动量，并可以应用于光束的俘获、原子操控、信息存储、以及通信技术等领域具有重要的应用价值。因此，如何测量出光束所携带的涡旋尤其是低相干长度光束所携带的涡旋具有重要的实用价值。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的不足，提供一种测量光束涡旋的方法及其装置，能够精确的测量光束所携带的涡旋，包含涡旋的数目和涡旋方向，在微粒俘获、原子操控、信息存储、以及通信技术等等领域具有重要的实际应用价值。为了达到上述的目的，本专利技术采用的技术方案是提供一种测量光束涡旋的方法，包括如下步骤：1、将携带涡旋的被测光束（偏振方向为x或y方向）通过第一个柱面镜，柱面镜的长轴为水平或垂直放置，光源与柱面镜的距离为z0，柱面镜的焦距为f1；2、从第一个柱面镜出射的涡旋光束再经过与第一个柱面镜长轴垂直放置的第二个柱面镜，第二个柱面镜距离第一个柱面镜的距离为l0，第二个柱面镜的焦距为f2；3、测量第二个柱面镜的反位相平面z上的光强分布，反位相平面z按公式：计算得到；4、根据测量得到的光强分布数据，计算得到光束在平面z上关联结构的二维分布，判断被测光束所携带的涡旋数目和涡旋方向；涡旋数目为(n-1)/2，其中n为关联的条纹数目；涡旋方向为：关联条纹长轴指向偏左+1，偏右-1。本专利技术技术方案还包括一种测量光束涡旋的装置，按携带涡旋的光束入射方向依次设置长轴相互垂直的第一柱面镜和第二柱面镜，在距离第二个柱面镜的反位相平面上设置一个电荷耦合器件，电荷耦合器件测量得到的光强分布数据输入计算机。本专利技术技术方案中，反位相平面z按如下公式计算得到：；其中，z0为被测光束的光源与第一柱面镜间的距离，f1为第一柱面镜的焦距，l0为第二柱面镜与第一柱面镜间的距离，f2为第二柱面镜的焦距。本专利技术提供一种测量光束涡旋装置的具体结构：z0为50cm，f1为20cm，l0为6cm，f2为20cm。本专利技术将在反位相平面上测量得到的光强分布数据输入计算机，计算光束在该平面上关联结构的二维分布，计算方法可参考文献：F.Wang,X.Liu,Y.Yuan,andY.Cai,“Experimentalgenerationofpartiallycoherentbeamswithdifferentcomplexdegreesofcoherence,”Opt.Lett.38,1814-1816(2013)。本专利技术技术方案提供的测量光束涡旋的系统：待检测的涡旋光束首先垂直通过一个长轴为水平放置的柱面镜；经过调制的光束接着垂直入射通过一个长轴垂直放置的柱面镜；被调制后的光束被放置于此光学系统的反位相平面上的电荷耦合器件接收；根据接收和记录的光强信息，利用关联结构函数的表达式计算出此平面上光束的关联结构的二维分布；根据此时的关联结构函数的二维平面分布得到待检测涡旋光束的拓扑荷数和涡旋方向。由于以上技术方案的应用，本专利技术的技术优点在于：1、本专利技术技术方案利用相互垂直的柱面镜组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量光束涡旋的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将携带涡旋的被测光束通过第一个柱面镜，柱面镜的长轴为水平或垂直放置，光源与柱面镜的距离为z0，柱面镜的焦距为f1；（2）从第一个柱面镜出射的涡旋光束再经过与第一个柱面镜长轴垂直放置的第二个柱面镜，第二个柱面镜距离第一个柱面镜的距离为l0，第二个柱面镜的焦距为f2；（3）测量第二个柱面镜的反位相平面z上的光强分布，反位相平面z按公式：计算得到；（4）根据测量得到的光强分布数据，计算得到光束在平面z上关联结构的二维分布，判断被测光束所携带的涡旋数目和涡旋方向；涡旋数目为(n‑1)/2，其中n为关联的条纹数目；涡旋方向为：关联条纹长轴指向偏左+1，偏右‑1。

【技术特征摘要】
1.一种测量光束涡旋的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将携带涡旋的被测光束通过第一个柱面镜，柱面镜的长轴为水平或垂直放置，光源
与柱面镜的距离为z0，柱面镜的焦距为f1；
（2）从第一个柱面镜出射的涡旋光束再经过与第一个柱面镜长轴垂直放置的第二个柱
面镜，第二个柱面镜距离第一个柱面镜的距离为l0，第二个柱面镜的焦距为f2；
（3）测量第二个柱面镜的反位相平面z上的光强分布，反位相平面z按公式：
计算得到；
（4）根据测量得到的光强分布数据，计算得到光束在平面z上关联结构的二维分布，判
断被测光束所携带的涡旋数目和涡旋方向；涡旋数目为(n-1)/2，其中n为关联的条纹数目；
涡旋方向为：关联条纹长轴指向偏左+1，偏右-...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘显龙，蔡阳健，陈君，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32