一种基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法及装置

本发明涉及涡旋光拓扑荷数检测，尤其涉及一种基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法及装置。

背景技术：

1、涡旋光是一种具有螺旋相位波面和确定的轨道角动量的奇异光束，可以通过计算机全息技术、模式转和螺旋相位板产生。近年来，涡旋光束被广泛应用于光学捕获、光镊、图像处理、光通信和量子信息技术等领域，这些应用大多基于涡旋光所携带的轨道角动量。轨道角动量的存在与涡旋光相位函数ψvortex＝lθ(θ是极坐标中的角度，l是拓扑荷数)相关联，涡旋光中的每个光子都携带有的轨道角动量(是约化普朗克常数)。可见，确定光子的轨道角动量需要确定漩涡光的拓扑荷数。涡旋光波前中心的相位奇点在使得涡旋光的横向强度分布中产生了一个暗点，它类似于一个空心的"甜甜圈"。甜甜圈"的直径随着拓扑荷数的增加而增大。然而，涡旋光的拓扑荷数无法从强度分布中直接观察到。

2、目前，测量涡旋光拓扑荷数的方法主要有三种：干涉测量法、衍射测量法和涡旋光强度分析法。第一种方法涉及笨重的干涉测量设备、精细排列的光学元件和复杂的干涉图案；第二种方法通常通过散光元件、衍射孔径或光栅等专用元件将涡流束转化为可识别的图案；第三种方法需要使用复杂的算法对涡流束进行强度分析才能确定拓扑荷数。在实验室环境下，空间光调制器法可以弥补上述不足，空间光调制器体积小，使用便利，通过控制加载的全息图像分离衍射级次，可以提高光束质量，将自旋转光束相位加载到空间光调制器中，通过捕获焦平面强度分布并进行分析即可实现涡旋光拓扑荷数的检测。

3、因此，需要提供一种基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法和装置，能够应用实验室条件对涡旋光的拓扑荷数进行简便的研究和测量，降低涡旋光拓扑荷数的检测成本、提高检测准确度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法及装置，用以解决现有涡旋光拓扑荷数检测存在的检测过程复杂、检测设备成本高的技术问题。

2、为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：

3、本发明提供了一种基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法，包括：

4、将携带自旋转光束相位的涡旋相位全息图加载到空间光调制器中；

5、采用线偏振高斯光束入射至所述空间光调制器，生成携带有自旋转光束相位和任意拓扑荷数的涡旋光束；其中，所述线偏振高斯光束与所述空间光调制器加载的涡旋相位中心同轴；

6、获取经过成像透镜后的所述涡旋光束的远场衍射强度分布图；

7、根据所述远场衍射强度分布图确定涡旋光束拓扑荷数的正负和大小。

8、进一步的，所述自旋转光束相位在极坐标系下的函数表达式为：

9、

10、其中，(r，θ)表示极坐标系，r0是r的归一化因子，a是任意常数，θ0是自旋转光束的旋转角度，n是非0整数，表示自旋转光束的个数。

11、进一步的，所述线偏振高斯光束入射前在极坐标系下的表达式为：

12、e＝a0exp(-r2/w2)

13、其中，(r，θ)表示极坐标系，a0为振幅，w为高斯光束的束腰半径。

14、进一步的，所述根据所述远场衍射强度分布图确定涡旋光束拓扑荷数的正负和大小，包括：

15、当所述强度分布图中间出现明暗条纹时，判定所述涡旋的拓扑荷数为负，且暗条纹的数量等于涡旋光拓扑荷数；

16、当所述强度分布图中未出现明暗条纹时，判定所述涡旋的拓扑荷数为正，所述强度分布中自旋转光束远离光场中心，同时其尺度被压缩，尺度比例变化与涡旋光拓扑荷数一一对应。

17、进一步的，所述获取经过成像透镜后的所述涡旋光束的远场衍射强度分布图，包括：

18、通过初始场的二维快速傅里叶变换计算夫琅禾费衍射区的场，用公式表示为：

19、

20、其中，表示傅里叶变换，e0表示初始场。

21、进一步的，所述获取经过成像透镜后的所述涡旋光束的远场衍射强度分布图，还包括：

22、使用矩阵三重积运算确定强度分布模式，用公式表示为：

23、e＝ωye0ωx

24、其中，ωy＝exp(-i2πytky)，ωx＝exp(-i2πkxtx)；kx，ky，x，y分别为用行向量表示的空间频率域和空间域的坐标，符号t表示转置操作。

25、进一步的，所述线偏振高斯光束为基模高斯光束或近高斯光束。

26、本发明还提供一种基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的装置，包括依次连接的激光器、线性偏振片、第一透镜、第二透镜、孔径光阑、空间光调制器、成像透镜和光束检测器；

27、所述激光器出射的高斯光束依次通过线性偏振片、第一透镜、第二透镜和孔径光阑入射到空间光调制器上，通过在空间光调制器加载相位全息图，形成携带自旋转光束相位的任意拓扑荷数的涡旋光束；

28、生成的涡旋光束经过成像透镜后，被光束检测器捕获并记录，得到产生的远场衍射强度图样。

29、进一步的，所述第一透镜和第二透镜均为弱聚焦正透镜。

30、进一步的，所述光束检测器为ccd相机。

31、本发明提供的基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法，通过制作携带自旋转光束相位的涡旋相位全息图并加载到空间光调制器中，采用线偏振高斯光照射到空间光调制器，出射光经过成像透镜后在焦平面处产生与涡旋光束拓扑荷数相关的强度分布，根据所述强度分布图即可观测所述涡旋光拓扑荷数正负和大小。

32、与现有技术相比，本方法的主要优点在于：(1)光路简洁，采用光学实验室的常规光路检测光路即可，对于光路的搭建没有其他要求；(2)成本低廉，本方法只需利用同一条光路即可实现涡旋光的制备和检测；(3)准确度高，对涡旋光拓扑荷数正负性区分明显，检测涡旋光拓扑荷数的准确度高；(4)实用性强，本方法所产生的携带自旋转光束相位的涡旋光束在光学微操控、光学通信、光学信息存储加密等领域均存在较大的应用潜力。

技术特征：

1.一种基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于，所述自旋转光束相位在极坐标系下的函数表达式为：

3.根据权利要求1所述的基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于，所述线偏振高斯光束入射前在极坐标系下的表达式为：

4.根据权利要求1所述的基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于，所述根据所述远场衍射强度分布图确定涡旋光束拓扑荷数的正负和大小，包括：

5.根据权利要求1所述的基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于，所述获取经过成像透镜后的所述涡旋光束的远场衍射强度分布图，包括：

6.根据权利要求1所述的基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于，所述获取经过成像透镜后的所述涡旋光束的远场衍射强度分布图，还包括：

7.根据权利要求1所述的基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于，所述线偏振高斯光束为基模高斯光束或近高斯光束。

8.一种基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的装置，其特征在于，包括依次连接的激光器(1)、线性偏振片(2)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、孔径光阑(5)、空间光调制器(6)、成像透镜(7)和光束检测器(8)；

9.根据权利要求8所述的基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的装置，其特征在于，所述第一透镜(3)和第二透镜(4)均为弱聚焦正透镜。

10.根据权利要求8所述的基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的装置，其特征在于，所述光束检测器为ccd相机。

技术总结本发明公开了一种基于自旋转光束相位检测涡旋光拓扑荷数的方法及装置，该方法包括：将携带自旋转光束相位的涡旋相位全息图加载到空间光调制器中；采用线偏振高斯光束入射至所述空间光调制器，生成携带有自旋转光束相位和任意拓扑荷数的涡旋光束；其中，所述线偏振高斯光束与所述空间光调制器加载的涡旋相位中心同轴；获取经过成像透镜后的所述涡旋光束的远场衍射强度分布图；根据所述远场衍射强度分布图确定涡旋光束拓扑荷数的正负和大小。本发明光路简洁，利用同一条光路即可实现涡旋光的制备和检测，成本低廉；对涡旋光拓扑荷数正负性区分明显，检测准确度高，在光学微操控、光学通信、光学信息存储加密等领域有着极大的应用潜力。技术研发人员：杨文星,单圣祥,吴耀德受保护的技术使用者：长江大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4