测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法及系统，该方法包括：将部分相干涡旋光束入射至双缝并发生干涉；将干涉后的部分相干涡旋光束通过透镜聚焦至纯相位空间光调制器的接收屏上；通过纯相位空间光调制器对接收屏上部分相干涡旋光束的中心引入三次不同相位赋值的扰动；对扰动后的部分相干涡旋光束进行傅里叶变换，并记录三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强；根据三次不同相位赋值和三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强，基于反傅里叶变换计算得到双缝干涉并聚焦后的部分相干涡旋光束的交叉谱密度函数。从交叉谱密度函数的相位分布图中可以直接观测相干奇点，从而得到部分相干涡旋光束的拓扑荷数大小和正负信息。

【技术实现步骤摘要】
测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法及系统
本专利技术涉及光学测量领域，特别涉及一种测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法及系统。
技术介绍
涡旋光束即相位为exp的光束，其每一个光子都携带一个轨道角动量其中，l为拓扑荷数。涡旋光束在激光微粒俘获、显微操控、信息编码以及光学信息传输方面有着巨大的应用前景。因此，对涡旋光束拓扑荷的测量是一项非常重要的工作，其在激光加工、光镊以及原子冷却等方面有着独特的优势。奇点是光场中某些参数无法定义的点。在完全相干的条件下，涡旋光束中心光强为零，相位呈现螺旋结构渐变，其交叉中点相位不确定，即为相位奇点。然而当相干度降低，涡旋光束的中心光强不再为零，逐渐变成实心，原本定义的相位奇点逐渐消失，但在2004年，Palacios等人提出，当相干度降低，在涡旋光的空间相干结构里，稳定存在着一种奇点，叫作相干奇点。目前，针对完全相干光束，我们已经有了比较全面的拓扑荷测量技术。然而，当相干度降低，原有的方法将逐渐失效。针对完全相干或相干度较高的涡旋光束，测量拓扑荷的方法主要分为三种：干涉法、衍射法和光强分析法。其中干涉法有马赫-曾德干涉仪、双缝干涉(廖坤山,陈子阳,蒲继雄.利用杨氏双缝干涉实验检测涡旋光束的拓扑荷数[J].华侨大学学报,2009,30(6):623-627.)和多针孔干涉，衍射法是利用三角孔径和光栅等衍射光学元件来实现拓扑荷测量的方法(DeAraujoLEE,AndersonME.Measuringvortexchargewithatriangularaperture[J].OpticsLetters,2011,36(6):787-789.)，光强分析法中最典型的频谱分析法是Prabhakar和Kumar等人提出的(PrabhakarS,KumarA,BanerjiJ,etal.Revealingtheorderofavortexthroughitsintensityrecord[J].OpticsLetters,2011,36(22):4398-4400.)，对涡旋光束传输至焦场处的光强进行傅里叶变换，得到空间频谱，空间频谱的分布图中的暗环数即为涡旋光束的拓扑荷数。然而当相干度降低时，干涉及衍射现象将不再明显，其对应的方法也就逐渐时效；对于光强分析法，文献(ZhaoC,WangF,DongY,etal.Effectofspatialcoherenceondeterminingthetopologicalchargeofavortexbeam[J].AppliedPhysicsLetters,2012,101(26):261104.)指出，随着相干度的降低，暗环数与拓扑荷数的对应关系被打乱，该方法也逐渐失效。针对部分相干涡旋光束的拓扑荷测量，目前实验上用的最多的是利用交叉关联函数(cross-correlationfunction，CCF)和拓扑荷数的密切关系(YangY,ChenM,MaziluM,etal.Effectoftheradialandazimuthalmodeindicesofapartiallycoherentvortexfielduponaspatialcorrelationsingularity[J].NewJournalofPhysics,2013,15(11):113053.与LiuR,WangF,ChenD,etal.MeasuringmodeindicesofapartiallycoherentvortexbeamwithHanburyBrownandTwisstypeexperiment[J].AppliedPhysicsLetters,2016,108(5):051107.)，交叉关联函数图像中的位错线或暗环数等于拓扑荷数(不考虑径向指数，即p＝0)，且当相干度降低时，交叉关联函数的图中位错线与光强频谱图中的位错线相比，更为稳固的存在着(PalaciosDM,MaleevID,MarathayAS,etal.Spatialcorrelationsingularityofavortexfield[J].Physicalreviewletters,2004,92(14):143905.)。另外还有利用部分相干涡旋光束的复相干度函数的相位分布图来测量部分相干涡旋光束的拓扑荷数的大小和正负(XLu,CZhao,YShao,JZeng,Appl.Phys.Letter.114,201106(2019))。针对完全相干或相干度较高的涡旋光束的三类方法，当相干度降低时，干涉及衍射现象将不再明显，其对应的方法也就逐渐时效；对于光强分析法，文献(ZhaoC,WangF,DongY,etal.Effectofspatialcoherenceondeterminingthetopologicalchargeofavortexbeam[J].AppliedPhysicsLetters,2012,101(26):261104.)指出，随着相干度的降低，暗环数与拓扑荷数的对应关系被打乱，该方法也逐渐失效。针对部分相干涡旋光束的拓扑荷测量，利用交叉关联函数(cross-correlationfunction，CCF)和拓扑荷数的关系只能测量拓扑荷数的大小，而无法获取拓扑荷正负信息。而利用复相干度函数测量可以同时得到拓扑荷数的大小和正负，但是实验需要找到一个合适的离轴参考点，实验条件苛刻复杂。在授权公告号为CN107764417B的专利中，为了测量拓扑荷的正负及大小，需要将空间光调制器加载的参考点(扰动点)偏离中心，实施例中也给出了一组参考点坐标的示例，只有通过适当的参考点取值才可以从关联函数相位分布图中看到清晰的奇点以读取拓扑荷的正负与大小，如果将参考点取(0,0)点，或者不恰当的非零点，是无法获取拓扑荷的大小和正负值的。尤其是当参考点取(0,0)时，相位分布呈现环型位错，无法看到奇点。在实验中，这个离轴参考点的选取条件十分苛刻，只有找到合适的参考点才可以看到清晰的奇点，而参考点的选取与光束的尺寸等因素有关，在实验中需要不断调试以寻找合适的参考点，这使得实验的条件十分苛刻和繁琐，操作起来十分困难。同时，该专利中需要计算复相干度才能得到拓扑荷的正负信息，使得整个测量过程更加繁琐。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术目的之一在于提供一种操作简单，在低相干条件下也可以准确测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法，其采用如下技术方案：测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法，其包括：将部分相干涡旋光束入射至双缝并发生干涉；将干涉后的部分相干涡旋光束聚焦至纯相位空间光调制器的接收屏上；通过所述纯相位空间光调制器对接收屏上部分相干涡旋光束的中心引入三次不同相位赋值的扰动；对扰动后的部分相干涡旋光束进行傅里叶变换，并记录三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强；根据三次不同相位赋值和三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强，通过反傅里叶变换得到所述干涉后的部分相干涡旋光束本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法，其特征在于，包括：/n将部分相干涡旋光束入射至双缝并发生干涉；/n将干涉后的部分相干涡旋光束聚焦至纯相位空间光调制器的接收屏上；/n通过所述纯相位空间光调制器对接收屏上部分相干涡旋光束的中心引入三次不同相位赋值的扰动；/n对扰动后的部分相干涡旋光束进行傅里叶变换，并记录三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强；/n根据三次不同相位赋值和三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强，基于反傅里叶变换计算得到所述干涉后聚焦的部分相干涡旋光束的交叉谱密度函数；/n绘出交叉谱密度函数的相位分布图，所述相位分布图中相干奇点数目的一半即为拓扑荷数，根据相干奇点周围相位变化的旋向确定拓扑荷正负，其中逆时针为正，顺时针为负。/n

【技术特征摘要】
1.测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法，其特征在于，包括：
将部分相干涡旋光束入射至双缝并发生干涉；
将干涉后的部分相干涡旋光束聚焦至纯相位空间光调制器的接收屏上；
通过所述纯相位空间光调制器对接收屏上部分相干涡旋光束的中心引入三次不同相位赋值的扰动；
对扰动后的部分相干涡旋光束进行傅里叶变换，并记录三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强；
根据三次不同相位赋值和三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强，基于反傅里叶变换计算得到所述干涉后聚焦的部分相干涡旋光束的交叉谱密度函数；
绘出交叉谱密度函数的相位分布图，所述相位分布图中相干奇点数目的一半即为拓扑荷数，根据相干奇点周围相位变化的旋向确定拓扑荷正负，其中逆时针为正，顺时针为负。


2.如权利要求1所述的测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法，其特征在于，所述部分相干涡旋光束入射至双缝，其交叉谱密度表达式为：



其中，双缝紧挨着部分相干涡旋光束的源平面，W1(r1,r2)表示经过双缝前也就是源平面的部分相干涡旋光束的交叉谱密度表达式，H(r1)H*(r2)表示双缝函数，x1,x2,y1,y2为光束在源平面的坐标，b是狭缝宽度，2a+b是双缝中心点间距，p是部分相干涡旋光束的径向指数模式取0,l为部分相干涡旋光束的拓扑荷数(TC),σg为光束的横向相干宽度，“*”是复共轭,ω0为束腰,Hx为厄米多项式，q是电荷值，Am和Bm是模拟双缝的函数的系数。


3.如权利要求1所述的测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法，其特征在于，所述将干涉后的部分相干涡旋光束聚焦至纯相位空间光调制器的接收屏上，具体包括：
通过第一透镜将干涉后的部分相干涡旋光束聚焦至反射式纯相位空间光调制器的接收屏上。


4.如权利要求3所述的测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法，其特征在于，所述干涉后的部分相干涡旋光束经过第一透镜聚焦后的部分相干涡旋光束的交叉谱密度表达式为：



其中，A,B,C,D是光学系统的传输矩阵的元素，当光束经过第一透镜传输并聚焦时，B＝f；D＝1。U＝(u,v)为矢量坐标，u1,v1,u2,v2是光束在空间光调制器接收屏平面的坐标，f是第一透镜的焦距，z是传输的距离，这里等于透镜的焦距。


5.如权利要求1所述的测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法，其特征在于，所述根据三次不同相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵承良，陈天池，卢兴园，蔡阳健，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32