[發(fā)明專利]一種分光棱鏡及探測渦旋光束拓撲荷的方法和裝置

有效

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• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104280141A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙建林;倶沛;甘雪濤
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00;G02B27/10
• 代理公司: 西北工業(yè)大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于相干光學測量領(lǐng)域，具體涉及一種分光棱鏡及探測渦旋光束拓撲荷的方法和裝置。

背景技術(shù)

渦旋光束是一類具有螺旋形相位波前的奇異光場，具有可以被表示為exp(ilθ)形式的波前相位結(jié)構(gòu)。其中方位角θ是關(guān)于笛卡爾坐標軸x、y的函數(shù)，定義為tanθ＝y(tǒng)/x；l為拓撲荷，可以是正數(shù)，也可以是負數(shù)，表示相位圍繞光束中心旋轉(zhuǎn)一周變化2lπ，并且不同拓撲荷符號對應相反的螺旋方向。渦旋光束的螺旋相位結(jié)構(gòu)中心點與任意徑向均在同一條等相位線上，導致該點相位無法定義，因而被稱為相位奇點。渦旋光束的螺旋相位結(jié)構(gòu)使光子圍繞光軸呈螺旋狀傳輸，類似于電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)而具有軌道角動量，渦旋光束中光子攜帶正比于拓撲荷l的軌道角動量其中表示普朗克常數(shù)除以2π。由拓撲荷所表征的螺旋相位結(jié)構(gòu)和量子化的軌道角動量，使渦旋光束在光學微操縱、量子計算、光通信、日冕觀測、特殊形貌光學加工等技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。因而，對渦旋光束拓撲荷的測量具有非常重要的意義。

目前，關(guān)于渦旋光束拓撲荷的測量方法可以歸納為衍射法與干涉法兩類。衍射法是通過分析渦旋光束經(jīng)特殊設(shè)計的光學元件衍射后的光場分布，來獲得拓撲結(jié)構(gòu)信息。這些特殊設(shè)計的光學衍射元件包括三角孔、六角孔、環(huán)形孔以及圓錐孔等。然而，這些光學衍射元件結(jié)構(gòu)的特殊性與復雜性局限了其應用的范圍。干涉法是通過渦旋光束與另一束參考光束(平面波、球面波等)的干涉，來判別渦旋光束的拓撲荷信息，其中較為典型的是基于馬赫-曾德干涉儀光路的雙光束干涉法。2004年，Jonathan?Leach等發(fā)表在《PHYSICAL?REVIEW?LETTERS》第92卷第1期中的論文“Interferometric?Methods?to?Measure?Orbital?and?Spin,or?the?Total?Angular?Momentum?of?a?Single?Photon”和2010年李陽月等發(fā)表在《物理學報》第59卷第3期中的論文“渦旋光束的產(chǎn)生與干涉”，都是利用馬赫-曾德干涉儀裝置實現(xiàn)渦旋拓撲荷的探測。但是，雙光束干涉法也存在一些不可避免的問題，如需要理想的參考光束、光路復雜并且對環(huán)境的微擾較為敏感。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種分光棱鏡及探測渦旋光束拓撲荷的方法和裝置，解決現(xiàn)有測量渦旋光束拓撲荷方法所存在的復雜性與不穩(wěn)定性等局限性，是一種光路緊湊、測量簡單快速、結(jié)果穩(wěn)定的測量方法。

技術(shù)方案

一種用于測量渦旋光束拓撲荷的分光棱鏡，其特征在于：將一塊立方體棱鏡平行于一對棱邊對角切開，切面研磨拋光后，將其中一面鍍金屬膜成為中間反射層，然后將兩塊棱鏡再次膠合成立方體得到分光棱鏡。

一種利用所述分光棱鏡探測渦旋光束拓撲荷的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將待測渦旋光束入射進分光棱鏡中，調(diào)整待測渦旋光束的傳輸光軸與分光棱鏡的中間反射層之間的夾角，使入射的渦旋光束沿著分光棱鏡的中間反射層進入分光棱鏡；進入分光棱鏡的渦旋光束被分成兩部分，分別在分光棱鏡的中間反射層上發(fā)生透射與反射，進而在分光棱鏡中干涉疊加，形成干涉條紋；

步驟2：利用置于分光棱鏡之后的電荷耦合器件CCD記錄所產(chǎn)生的干涉圖樣；

步驟3：根據(jù)所獲得的干涉圖樣中斷裂條紋的個數(shù)與位置，得到被測渦旋光束的拓撲荷信息。

一種實現(xiàn)所述分光棱鏡探測渦旋光束拓撲荷的方法的裝置，其特征在于包括激光器1、倒置望遠鏡系統(tǒng)2、準直透鏡3、反射鏡4、空間光調(diào)制器5、第一傅里葉變換透鏡6、第二傅里葉變換透鏡8、小孔濾波器7、分光棱鏡9、電荷耦合器件10和11-計算機；激光器1與反射鏡4的光軸上依次設(shè)有倒置望遠鏡系統(tǒng)2和準直透鏡3；反射鏡4與分光棱鏡9的光軸上依次設(shè)有空間光調(diào)制器5-、第一傅里葉變換透鏡6、第二傅里葉變換透鏡8和小孔濾波器7；分光棱鏡9的后方設(shè)有電荷耦合器件10，電荷耦合器件10與計算機11相連；所述空間光調(diào)制器5上被加載產(chǎn)生所需要的渦旋光束的全息圖。

所述激光器1為波長514.5nm的氬離子激光器。

改變第一傅里葉變換透鏡6與第二傅里葉變換透鏡8的焦距大小，以控制渦旋光束光斑大小的變化，使之滿足R≤L[1-tan(arcsin(2/2n)]/2，其中R為渦旋光束光斑半徑，L為分光棱鏡中間反射層長度，n是分光棱鏡的折射率。

以全息掩模版、螺旋相位板或旋轉(zhuǎn)鏡面高斯振蕩器替換空間光調(diào)制器5。

有益效果