本发明专利技术将待测的部分相干分数阶涡旋光束通过散射物体，利用优化算法最小化可测量信息和待测信息的误差，并通过多模式叠层衍射算法重建出待测分数阶涡旋光束的主要电场模式和权重。基于电场模式和交叉谱密度的数学关系，计算出部分相干分数阶涡旋光束的交叉谱密度函数、重构部分相干分数阶涡旋光场的交叉谱密度、获取部分相干分数阶涡旋光场的完备信息，包括光强、光强关联、电场关联、相位等等。部分相干分数阶涡旋光场的完备信息得到后，进行逆向传输计算，得到源场涡旋相位分布，实现低相干条件下分数阶涡旋光束的精确拓扑荷测量。干条件下分数阶涡旋光束的精确拓扑荷测量。干条件下分数阶涡旋光束的精确拓扑荷测量。
【技术实现步骤摘要】
一种部分相干分数阶涡旋光束拓扑荷数测量方法及装置
[0001]本专利技术涉及光学测量
，尤其是指一种部分相干分数阶涡旋光束拓扑荷数测量方法、装置及计算机存储介质。
技术介绍
[0002]现有的技术中，涡旋光束具体是指一种携带螺旋相位的光束，其波前沿光轴方向螺旋旋转，可以用相位因子exp(ilθ)定量描述，其中l和θ分别表示拓扑电荷和方位角。光场涡旋相位的操纵已逐渐延伸为一个新的研究方向，即奇点光学。1992年，Allen等人指出涡旋光束的每个光子携带l的轨道角动量(是约化普朗克常数)，并揭示了宏观光学和量子效应之间的新联系。显然，轨道角动量是特征值并且具有传输鲁棒性，它决定了每个光子携带的轨道角动量值。与传统的平面波和球面波相比，涡旋光束由于中心相位奇异性而具有明显的螺旋波前和环形强度结构特征。涡旋光束的独特物理特性使其在各个领域发挥着重要的作用，如光通信、粒子操纵、光学成像、量子信息、天文学、光学检测、医学诊断以及其他许多不同领域的应用。为了提高涡旋光束的实际应用，人们在过去五年中提出了越来越多的产生涡旋光束和检测其拓扑荷的新方法。此外，涡旋光束调控的进一步研究有望促进新物理现象的诞生和科学应用，具有重要的科学意义。
[0003]在大多数与涡旋相关的研究中，拓扑荷的值仅被限制为整数，即其螺旋波前具有2lπ的步长，l为整数。事实上，拓扑荷的值也可以是非整数(相位步长不是2π的整数倍)，具有非整数拓扑荷的涡旋光束称为分数阶涡旋光束[Opt.Commun.1994,112,321
‑
327,Opt.Commun.1995,119,604
‑
612,Nanophotonics,11(2):241
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273(2022)]。与整数阶涡旋光束不同，分数阶涡旋光束其相位跃变处出现不连续性，环形强度结构被破坏，出现径向暗开口(或低强度间隙)。2004年，Berry从理论上详细研究了具有分数阶涡旋相位的光束的涡旋结构，并提到分数阶涡旋光束可以表示为一系列整数阶涡旋的叠加[J.Opt.A
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Pure Appl.Op.2004,6,259
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268.]。换句话说，具有分数拓扑荷的涡旋光束可以分解为具有不同强度权重的整数阶涡旋光束的傅立叶级数。当拓扑荷为半整数时，在相位阶跃不连续处出现无限长的交替强度涡旋链，当拓扑荷大于或小于半整数时消失。值得注意的是，每个光子的轨道角动量可以以为单位携带整数或非整数值。分数阶涡旋光束的显着特点是不能在自由空间中稳定传播。然而，换句话说，它表现出丰富的演化过程，诱导复杂的幅度和相位结构并增加调节自由度。更具体地，基于其固有特性，分数阶涡旋光束可以分为分数阶高斯涡旋光束、分数阶贝塞尔
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高斯光束、分数阶拉盖尔
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高斯光束、完美分数阶涡旋光束、分数阶椭圆涡旋光束和部分相干分数阶涡旋光束等等。
[0004]近年来，分数阶涡旋光束由于其不寻常的特性而在光操纵领域引起了极大的关注。首先，光与物质之间的相互作用是展示分数阶涡旋光束潜在应用的最直观机制。与仅实现光环旋转的整数阶涡旋光束相比，分数阶涡旋光束具有独特的强度分布，可以实现细胞分选或细胞取向的精确控制。显着增加光通信系统的信息容量始终是一个巨大的挑战，其中轨道角动量模式相互正交，可以被视为解决这个问题的新自由度。因此，在光通信系统
中，具有连续整数和非整数轨道角动量状态的分数阶涡旋光束可以克服孔径大小的限制并扩展通信容量。分数阶涡旋光束的另一个实际应用是光学成像。已经证实携带轨道角动量的光束可以实现图像边缘增强。与仅实现各向同性边缘增强的规则涡旋光束相比，分数阶涡旋光束可以实现各向异性边缘增强。此外，分数阶涡旋光束可以有效地抵抗噪声影响并在雷达成像系统中实现高分辨率成像。
[0005]鉴于涡旋光束的广泛应用，人们已经提出了各种技术来测量其拓扑荷(拓扑荷)。例如，涡旋光束与平面波的干涉图案中叉的数量和方向可以分别对应到拓扑荷的大小和符号。涡旋光束可以通过相反拓扑荷的相位光栅转换为非空心光斑，这也有助于识别拓扑荷的值。此外，波前测量是获得拓扑荷值的最直观技术，即奇点周围的相位积分除以2π可以对应于拓扑荷的值。然而，分数阶涡旋光束破坏了轨道角动量的正交性，其测量应建模为复杂的混合整数阶轨道角动量的情况，因此，多数对整数涡旋光束有效的传统方法在应对分数阶涡旋拓扑荷测量时变得无效。
[0006]利用相干叠层衍射成像算法解决光场测量的研究在近几年得到了一定的发展，这得益于相干衍射成像算法的不断改进和革新。当光源相干度降低时，如果还利用完全相干光束的相干衍射的方法，得到的成像会模糊或者误差很大。除了光源本身可能存在的相干性退化，光学系统包括样品、相机和传输媒介的不稳定性也会等效于相干性的退化，与空间相干性的退化类似，时间相干性的退化也给重构带来的极大的麻烦。基于此，Arjun等人提出了混合态模型的叠层成像算法。Arjun等人在叠层衍射成像算法的基础上引入实模和鬼模式的概念[Phy.Rev.Lett.2020,125,086101]，提出了适用于宽光谱光源的解决方案，该算法允许对多个波长的光谱、探针以及光谱对应的图像同时重构。
[0007]目前已有的针对分数阶涡旋光束的测量方案要方法主要有一下测量方法：
[0008]1.基于改进的干涉法[Opt.Commun.2015,334,235
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239,Opt.Commun.2012,285,383
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388]将分数阶涡旋光束旋转180
°
后与自身进行干涉，根据干涉结果定性观测拓扑荷数。
[0009]2.模式转换法[Opt Commun 1999；159:13
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18]将拉盖尔分数阶涡旋通过相互垂直的柱面镜进行转化为厄米模式进而定性分析分数阶涡旋光束拓扑荷。
[0010]3.动态双缝法[Photonics Res.2016,4,187
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190]将分数阶涡旋光束通过可变双缝进行干涉后，观测光强的变化从而确定分数阶涡旋光束拓扑荷数。
[0011]4.基于机器学习的测量方法[Phys.Rev.Lett.2019,123,183902]使用衍射或干涉图案通过将强度形状与理论值进行比较来识别分数阶拓扑荷。结合机器学习，基于强度特征分析可以获得更精确的识别。
[0012]对于分数阶拓扑荷的测量问题，上述方法除深度学习识别法以外，精度都较低，而深度学习法依赖大量数据的训练，基于光强等特性进行识别，固定系统的训练不具有普适性；另一方面，当相干性退化后，基于干涉的测量方案也将失效。相干性退化后，涡旋光束的轨道角动量谱分布将会受到影响，轨道角动量谱与拓扑荷的定量关系也未得到验证。目前部分相干分数阶涡旋光束的分数阶拓扑荷尚无法定量求解和表征。
技术实现思路
[0013]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中精度低、相干性退化后无
法定量求解和表征的问题。本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种部分相干分数阶涡旋光束拓扑荷数测量方法，其特征在于，包括：将待测分数阶涡旋光束照射到散射样品上，并进行横向和竖向移动交叠扫描，利用置于衍射区域的探测器采集衍射光强；利用多模式叠层衍射算法，计算待测电场并迭代更新，以便最小化所述探测器采集的衍射光强和根据所述待测电场计算得到的衍射光强之间的误差，从而得到所述待测分数阶涡旋光束的目标待测电场；根据所述目标待测电场重建所述待测分数阶涡旋光束的交叉谱密度函数并获取所述待测分数阶涡旋光束的光场信息；根据所述交叉谱密度函数和所述待测分数阶涡旋光束的光场信息进行逆传输计算得到源场涡旋相位分布图，根据所述源场涡旋相位分布图观测所述待测分数阶涡旋光束拓扑荷数大小和正负。2.根据权利要求1所述的部分相干分数阶涡旋光束拓扑荷数测量方法，其特征在于，所述衍射区域为菲涅尔衍射区或夫琅禾费衍射区。3.根据权利要求1所述的部分相干分数阶涡旋光束拓扑荷数测量方法，其特征在于，所述交叠扫描的重叠率为60％～70％。4.根据权利要求1所述的部分相干分数阶涡旋光束拓扑荷数测量方法，其特征在于，所述利用多模式叠层衍射算法，计算待测电场并迭代更新，以便最小化所述探测器采集的衍射光强和根据所述待测电场计算得到的衍射光强之间的误差，从而得到所述待测分数阶涡旋光束的目标待测电场前包括：利用随机模分解方法将所述待测分数阶涡旋光束的交叉谱密度W(r1,r2)分解为多个电场其中，和为所述待测分数阶涡旋光束分解后的第i个电场，N
R
为根据不同相干度选取的正整数，r1、r2为空间坐标。5.根据权利要4所述的部分相干分数阶涡旋光束拓扑荷数测量方法，其特征在于，所述利用多模式叠层衍射算法，计算待测电场并迭代更新，以便最小化所述探测器采集的衍射光强和当前根据所述待测电场计算得到的衍射光强之间的误差，从而得到所述待测分数阶涡旋光束的目标待测电场包括：步骤1：假设所述待测分数阶涡旋光束照射到散射样品上的交叉谱密度为假设第j次照射在所述散射样品上的透过率函数为P(r
‑
R
j
)，r表示坐标，R
j
表示所述待测分数阶涡旋光束与所述散射样品之间的相对位移，j表示第j次照射在样品区域；步骤2：计算所述待测分数阶涡旋光束经过所述散射样品后的每个出射场为步骤3：利用所述探测器采集的衍射光强更新衍射场，并根据所述衍射场更新出射场步骤4：更新每个待测电场
其中α,β是常数，表示更新后的第j个扫描位置对应的第i个出射光电场，为第j个扫描位置对应的第i个出射光场，O
′
ij
(r)为更新第j个扫描位置对应的第i个照射到散射样品上入射光电场，O
ij
(r)为第j个扫描位置对应的第i个照射到散射样品上入射光电场，P
′
j
...
【专利技术属性】
技术研发人员：王卓异，赵承良，卢兴园，林琪栋，卢潇锬，赵雪纯，蔡阳健，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：
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