一种扇形子孔径微透镜阵列测量涡旋光束拓扑荷数的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种扇形子孔径微透镜列测量涡旋光束拓扑荷数的方法和装置，本发明专利技术的核心元件是扇形子孔径微透镜阵列，呈圆对称分布，其子透镜为扇形状，更好的契合涡旋光束的螺旋相位结构。待测涡旋光束入射到扇形子孔径微透镜阵列上，经过扇形子孔径微透镜阵列分割聚焦后，在其焦平面上得到光斑阵列，通过分析计算光斑阵列的光斑偏移方向和偏移量大小，可以得到涡旋光束拓扑荷数的符号和大小。不同于传统的方形子孔径微透镜阵列，使用扇形子孔径微透镜阵列误差更小，相比于传统的干涉法和衍射法本发明专利技术不用引入额外的参考光束，而且能对拓扑荷数较大的涡旋光束进行测量，测量方法简单快速，测量装置更直观简洁。

A method and device for measuring the topological charge number of vortex beam with fan-shaped sub aperture microlens array

【技术实现步骤摘要】
一种扇形子孔径微透镜阵列测量涡旋光束拓扑荷数的方法和装置
本专利技术属于光学测量领域，涉及一种测量涡旋光束拓扑荷数的方法，具体涉及一种使用扇形子孔径微透镜阵列测量涡旋光束拓扑荷数的方法和装置
技术介绍
涡旋光束是具有螺旋形相位结构的一种特殊光场，在其传播方向的光轴上强度为零且存在相位奇点，每个光子都携带有轨道角动量。早在1992年，Allen等人证明了复振幅表达式中含有相位项的光束具有大小的轨道角动量(orbitalangularmomentum,OAM)，其中l为量子数或拓扑荷数，其物理意义表示围绕光束中心旋转一周，相位变化2πl，拓扑荷数的符号表示不同的相位螺旋方向；为角向坐标，定义为由于涡旋光束携带有OAM的性质，使得其在粒子俘获与操纵、光通信、物体探测等领域有着广泛的应用。因此在各应用中，测量涡旋光束的OAM值具有非常重要的意义，即测量其拓扑荷数。国内外学者在测量涡旋光束拓扑荷数上做了很多研究，目前测量方法主要以干涉法和衍射法为主。衍射法主要是通过设计各类衍射元件(衍射孔、衍射光栅、衍射屏)，干涉法主要是将待测涡旋光束与其他光束(平面波、球面波等)干涉，这两类方法都是通过衍射或干涉图样来判断涡旋光束的拓扑荷数大小和符号。干涉法需要理想的参考光束，光路复杂，且容易受环境干扰，而衍射法要使用特殊的衍射元件。这两类方法针对拓扑荷数为整数且较小的涡旋光束能够很好的测量，对于大拓扑荷数的涡旋光束，衍射法和干涉法由于环境的干扰和衍射干涉图样的密集条纹分布，会使测量结果误差增大。有关微透镜阵列测量涡旋光束的拓扑荷数，最早在2007年，F.A.Starikov等人使用夏克-哈特曼波前探测器对拓扑荷数为1拉盖尔-高斯光束进行了波前探测，并做了波前复原，(StarikovFA,KochemasovGG,KulikovSM,etal.WavefrontreconstructionofanopticalvortexbyaHartmann-Shacksensor[J].Opticsletters,2007,32(16):2291-2293.)，使用的是方形子孔径的微透镜阵列，但测量误差比较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了解决以上的不足，根据涡旋光束特殊的螺旋相位结构，提出了使用扇形子孔径微透镜阵列来测量涡旋光束拓扑荷数。避免了使用干涉法和衍射法受环境影响较大的缺点，和减少了使用方形子孔径微透镜阵列带来的误差。是一种测量方便，简单快捷的测量涡旋光束拓扑荷数大小和符号的方法。本专利技术采用的技术方案为：一种测量涡旋光束拓扑荷数的扇形子孔径微透镜阵列，不同于方形子孔径微透镜阵列，扇形子孔径微透镜阵列为环形排布，每个环上再等分为相同大小的扇形透镜，成圆对称分布。n×n的扇形微透阵列有n/2个环带，每个环带上有(2m-1)×4个扇形微透镜，最里面的到最外围的环带有依次为第1、第2、...、第m个环带，m＝1、2、...、n/2，一共有n2个扇形微透镜，n为偶数。一种测量涡旋光束拓扑荷数的方法，步骤如下：步骤1：待测涡旋光束垂直入射到扇形微透镜阵列，由于其子透镜为扇形状，所以微透镜阵列先对波前进行分割，将波前分割成一个个扇形子波前，每个子波前经过对应的扇形子透镜进行聚焦，在其焦平面上得到光斑阵列，由于其螺旋的相位分布，聚焦的光斑会偏离光轴；步骤2：使用置于扇形子孔径微透镜阵列焦平面上的电荷耦合器件记录产生的光斑阵列；步骤3：根据电荷耦合器件上所得的光斑阵列，使用计算机通过质心算法分析得到光斑偏移的方向和偏移量大小，得到待测涡旋光束的拓扑荷数大小和符号。一种测量涡旋光束拓扑荷数的装置，包括激光器1、衰减片2、显微物镜3、针孔滤波器4、准直透镜5、空间光调制器6、光阑7、第一透镜8、第二透镜9、扇形子孔径微透镜阵列10、电荷耦合器件11、计算机12；激光器1和空间光调制器6之间依次设有衰减片2、显微物镜3和针孔滤波器4组成的滤波器和准直透镜5；空间光调制器6和电荷耦合器件9之间依次设有光阑7、第一透镜8、第二透镜9和扇形子透镜微透镜阵列10；电荷耦合器件11与计算机12相连。所述衰减片2置于激光器发出的激光光路中，用于衰减激光光强，保证入射到电荷耦合器件上的光子数不会超出其动态范围。所述的显微物镜3和针孔滤波器4组成滤波系统，用于滤去激光器发出的高频杂光。所述的准直透镜5置于针孔滤波器后方的激光光路中，用于准直滤波后的光束。所述的空间光调制器6加载产生所需的涡旋光束的全息图，生成不同拓扑荷数的涡旋光束。所述的孔径光阑7置于空间光调制器6后，用于滤除其他衍射级次的光束和杂散光。所述的第一透镜8和第二透镜9组成扩束(缩束)系统，置于孔径光阑7后的光路中，用于调节光束尺寸，调节之后的光束直径d2＝d1f2/f1，d1为经过孔径光阑7的光束的直径，f1,f2分别为第一透镜8和第二透镜9的焦距。所述的扇形子孔径微透镜阵列10置于孔径光阑后的光路中，用于测量待测涡旋光束，其排布方式不局限于n×n的排布，可以是子透镜为扇形的其他排布方式。所述的电荷耦合器件11置于扇形子孔径微透镜阵列10的焦平面上，用于接收每个子孔径聚焦的光斑。所述的计算机12与电荷耦合器件11相连，显示来自电荷耦合器件接收的焦平面处的光斑阵列，并计算得到光斑阵列的光斑偏移方向和偏移量，进而得到涡旋光束的拓扑荷数。本专利技术具有以下有益效果：(1)与使用干涉法和衍射法相比，使用扇形微透镜阵列不用通过数条纹的方式来得到涡旋光束的拓扑荷数，还能够测量大拓扑荷数的涡旋光束，测量简单，操作方便，不用引入额外的参考光束。(2)与使用方形子孔径微透镜阵列相比，对相同尺寸的光束面积进行探测，由于扇形子孔径微透镜阵列的圆对称分布更契合圆形光束，所以使用扇形子孔径微透镜阵列的光能利用率更高。(3)由于涡旋光束的相位呈螺旋结构，且其相位斜率呈环形分布，使用方形子孔径微透镜阵列对所有有效子孔径区域的数据进行求平均得到的结果，而使用扇形子孔径微透镜阵列可以分别对每个环的数据进行分析，能够减小误差。附图说明图1是不同尺寸扇形子孔径微透镜阵列。图2是是拓扑荷数为3的涡旋光束的相位图、相位斜率图以及相位斜率横截面图，其中，图2(a)是拓扑荷数为3的涡旋光束的相位图，图2(b)是拓扑荷数为3的涡旋光束的相位斜率图，图2(c)是拓扑荷数为3的涡旋光束的相位斜率横截面图。图3是拓扑荷数为1、-1的涡旋光束经过扇形子孔径微透镜阵列的分割后的相位斜率矢量分布图，其中，图3(a)是拓扑荷数为1的涡旋光束经过扇形子孔径微透镜阵列的分割后的相位斜率矢量分布图，图3(b)是拓扑荷数为-1的涡旋光束经过扇形子孔径微透镜阵列的分割后的相位斜率矢量分布图。图4是本专利技术测量涡旋光束的装置结构示意图。图5是拓扑荷数为1的涡旋光束经过扇形子孔径微透镜阵列后的光斑阵列图及测量结果，图5(a)是拓扑荷数为1的涡旋光束经过扇形子孔径微透镜阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扇形子孔径微透镜阵列测量涡旋光束拓扑荷数的方法，所述的扇形子孔径微透镜阵列：不同于方形子孔径微透镜阵列，扇形子孔径微透镜阵列为环形排布，每个环上再等分为相同大小的扇形透镜，成圆对称分布，n×n的扇形微透阵列有n/2个环带，每个环带上有(2m-1)×4个扇形微透镜，最里面的到最外围的环带有依次为第1、第2、...、第m个环带，m＝1、2、...、n/2，一共有n

【技术特征摘要】
1.一种扇形子孔径微透镜阵列测量涡旋光束拓扑荷数的方法，所述的扇形子孔径微透镜阵列：不同于方形子孔径微透镜阵列，扇形子孔径微透镜阵列为环形排布，每个环上再等分为相同大小的扇形透镜，成圆对称分布，n×n的扇形微透阵列有n/2个环带，每个环带上有(2m-1)×4个扇形微透镜，最里面的到最外围的环带有依次为第1、第2、...、第m个环带，m＝1、2、...、n/2，一共有n2个扇形微透镜，n为偶数，其特征在于，步骤如下：
步骤1：待测涡旋光束入射到扇形微透镜阵列，由于其子透镜为扇形状，所以微透镜阵列先对波前进行分割，将波前分割成一个个扇形子波前，每个子波前经过对应的扇形子透镜进行聚焦，在其焦平面上得到光斑阵列，由于其螺旋的相位分布，聚焦的光斑会偏离光轴；
步骤2：使用置于扇形子孔径微透镜阵列焦平面上的电荷耦合器件记录产生的光斑阵列；
步骤3：根据电荷耦合器件上所得的光斑阵列，使用计算机通过质心算法分析得到光斑偏移的方向和偏移量大小，得到待测涡旋光束的拓扑荷数大小和符号。


2.一种实现权利要求1所述的扇形子孔径微透镜阵列测量涡旋光束拓扑荷数方法的装置，其特征在于：包括激光器(1)、衰减片(2)、显微物镜(3)、针孔滤波器(4)、准直透镜(5)、空间光调制器(6)、光阑(7)、第一透镜(8)、第二透镜(9)、扇形子孔径微透镜阵列(10)、电荷耦合器件(11)、计算机(12)；激光器(1)和空间光调制器(6)之间依次设有衰减片(2)、显微物镜(3)和针孔滤波器(4)组成的滤波器和准直透镜(5)；空间光调制器(6)和电荷耦合器件(9)之间依次设有光阑(7)、第一透镜(8)、第二透镜(9)和扇形子透镜微透镜阵列(10)；电荷耦合器件(11)与计算机(12)相连。


3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述衰减片(2)置于激光器发出的激光光路中，用于衰...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈锋，唐奥，兰斌，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51