[發明專利]一種基于改進型馬赫曾德干涉儀測定渦旋光束拓撲電荷數的方法

有效

• 申請號: 201410141180.5
• 申請日: 2014-04-10
• 公開（公告）號: CN103940520B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 王林;袁操今;馮少彤;李重光;趙應春;張秀英
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00;G01J9/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于改進型馬赫曾德干涉儀測定渦旋光束拓撲電荷數的裝置及方法，屬于數字全息技術領域。

背景技術

數字全息技術是計算機技術和傳統光學全息相結合的產物，采用數字化的記錄和再現方法，能夠較為方便地獲取物體的振幅信息和相位信息，其中相位信息是恢復物體三維形貌的重要參數。數字全息技術是用光電耦合器件（如CCD或CMOS）代替干板記錄全息圖，然后將全息圖存入計算機，用計算機模擬光學衍射過程來實現被記錄物體的再現和處理。數字全息術與傳統光學全息術相比具有成像速度快，記錄和再現靈活等優點。近年來， 隨著計算機技術特別是高分辨率CCD制造加工工藝的發展，數字全息技術及其應用受到越來越多的關注，其應用范圍已涉及形貌測量、變形測量、粒子場測試、數字顯微、防偽、三維圖像識別、醫學診斷等諸多領域。

1992年Allen等人發現具有 相位結構形式的光束，也就是渦旋光束的一個特征是其每個光子都具有軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM），這種光束的一個典型實例是拉蓋爾-高斯光束。由于渦旋光束帶有軌道角動量，在粒子囚禁與操控，量子信息編碼等領域都有廣泛的應用。因此作為影響這些應用最重要參數的渦旋光軌道角動量受到廣泛關注，探測渦旋光束的軌道角動量量子數也即拓撲電荷數l進而成為近幾年渦旋光束研究的熱點課題。

渦旋光束的產生方法有利用螺旋相位板、光在粗糙表面的散射以及特殊設計的合成計算全息圖衍射獲得渦旋光束等。如用空間光調制器，通過加載不同的計算全息圖可以方便地產生不同拓撲電荷數l的渦旋光束。

目前，測定渦旋光束的拓撲電荷數主要是從渦旋光束的干涉、衍射和散射特性出發，根據渦旋光束在經過上述三個物理過程中產生的一系列特殊現象，間接地可以判定出渦旋光束的拓撲電荷數。Jonathan Leach等人提出的M-Z干涉裝置；Gregorius C.和G. Berkhout提出的多孔干涉儀（multipoint interferometer）；Ruifeng Liu等人提出的角向雙縫干涉儀，都是利用干涉測定渦旋光束拓撲電荷數的典型例子，從得到的特殊干涉圖樣可以分析拓撲電荷數與圖樣中光斑的關系得出l。Koh Saitoh等人則通過渦旋光束經叉形光柵（forked grating）衍射后的分布準確得出入射渦旋光束的拓撲電荷數，而劉曼則利用拉蓋爾-高斯光束照射弱隨機散射屏，分析散射光的近場分布獲得渦旋光束的拓撲電荷數。

當前用來測定渦旋光束的設備或儀器中，需要有特殊制備的儀器，如Dove棱鏡，多孔干涉儀，角向干涉儀，叉形光柵或弱隨機散射屏等，這類儀器或設備存在利用率低、制備困難，精度要求高等困難，本發明提出的基于改進型馬赫曾德干涉儀測定渦旋光束拓撲電荷數的裝置不需要特殊的儀器或設備，它以分光棱鏡和反射鏡以及光電耦合器件即可完成對渦旋光束拓撲電荷數的測定。

上述方法都是從渦旋光束的性質入手，通過與之相關的各種物理現象來確定拓撲電荷數，且研究主要集中在整數階，對于分數階拓撲電荷數的渦旋光束還未能有很準確的定量測定方法。本發明從渦旋光束的特殊相位分布特性入手，提出利用數字全息技術獲取渦旋光束拓撲電荷數的方法，通過全息干涉圖將渦旋光束的相位分布記錄下來并再現，實現渦旋光束相位結構的全面表征。實驗結果表明，重構出的渦旋光束相位具有與拓撲電荷數l相關的螺旋結構，與渦旋光束對相位的定義相吻合。利用該發明對渦旋光束的拓撲電荷數的測量結果為渦旋光束本質結構的研究以及軌道角動量量子數傳輸信息的利用提供了一定的參考。

發明內容

本發明提供了一種基于改進型馬赫曾德干涉儀測定渦旋光束拓撲電荷數的裝置及方法，用于解決當前測定渦旋光束的拓撲電荷數方法需要特定儀器或設備，這些設備需要較高成本或需要特殊制備，或現有測定方法操作復雜，穩定性差，可靠性低的問題。