[發明專利]測量部分相干渦旋光束拓撲荷數大小和正負的方法及系統

有效

• 申請號: 201710978884.1
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107764417B
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發明（設計）人: 盧興園;趙承良;曾軍;朱新蕾;劉磊鑫;蔡陽健
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G01J9/02
• 分類號: G01J9/02
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 李陽

本發明公開了一種測量部分相干渦旋光束拓撲荷數大小和正負的方法及系統，該方法包括：記錄待測部分相干渦旋光束的光強；對待測部分相干渦旋光束引入三次不同相位賦值的擾動；對擾動后的待測部分相干渦旋光束進行傅里葉變換，并記錄三次不同相位賦值下傅里葉平面的光強；根據三次不同相位賦值和三次不同相位賦值下傅里葉平面的光強，通過反傅里葉變換得到待測部分相干渦旋光束的交叉譜密度函數；利用交叉譜密度函數和待測部分相干渦旋光束的光強得到待測部分相干渦旋光束的復相干度；繪出復相干度的相位分布圖，相位分布圖中相干奇點的數目即為拓撲荷數，根據相干奇點周圍相位變化的旋向確定拓撲荷正負，逆時針為正，順時針為負。

技術領域

本發明涉及光學測量領域，特別涉及一種測量部分相干渦旋光束拓撲荷數大小和正負的方法及系統。

背景技術

奇點光學作為現代光學的重要分支，吸引了國內外大量研究者的關注。所謂奇點，即光場中某些參數無法定義的點，例如Nye和Berry提出并定義的相位奇點，最典型的相位奇點是渦旋光束，完全相干條件下，渦旋光束中心光強為零，而相位呈現螺旋結構漸變，其交叉中點相位不確定，即為相位奇點。

渦旋光束在激光微粒俘獲、顯微操控、信息編碼以及光學信息傳輸方面有著巨大的應用前景，1992年，Allen等人提出相位為的渦旋光束，每一個光子都攜帶一個軌道角動量其中，l為拓撲荷數，因此，對渦旋光束拓撲荷的測量是一項非常重要的工作，針對完全相干或相干度較高的渦旋光束，測量拓撲荷的方法主要分為三種：干涉法、衍射法和光強分析法，但當相干度降低，原有的針對完全相干或相干度較高的渦旋光束的拓撲荷測量方法將逐漸失效。而針對部分相干渦旋光束的拓撲荷測量，利用交叉關聯函數(cross-correlation function，CCF)和拓撲荷數的關系只能測量拓撲荷數的大小，無法獲取拓撲荷正負信息。而在實際應用中，部分相干渦旋光束在激光加工、光鑷以及原子冷卻等方面有著獨特的優勢。目前，缺少一種能夠對部分相干渦旋光束的拓撲荷數大小、正負信息進行有效測量的方法。

發明內容

本發明要解決的技術問題是如何測量部分相干渦旋光束的拓撲荷數大小和正負信息。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種測量部分相干渦旋光束拓撲荷數大小和正負的方法，包括：

記錄待部分相干測渦旋光束的光強；

對所述待測部分相干渦旋光束引入三次不同相位賦值的擾動；

對擾動后的待測部分相干渦旋光束進行傅里葉變換，并記錄三次不同相位賦值下傅里葉平面的光強；

根據三次不同相位賦值和三次不同相位賦值下傅里葉平面的光強，通過反傅里葉變換得到待測部分相干渦旋光束的交叉譜密度函數；

根據復相干度的定義，利用所述交叉譜密度函數和待測部分相干渦旋光束的光強得到待測部分相干渦旋光束的復相干度；

繪出復相干度的相位分布圖，所述相位分布圖中相干奇點的數目即為拓撲荷數，根據相干奇點周圍相位變化的旋向確定拓撲荷正負，其中逆時針為正，順時針為負。

作為本發明的進一步改進，所述根據三次不同相位賦值和三次不同相位賦值下傅里葉平面的光強，通過反傅里葉變換得到待測部分相干渦旋光束的交叉譜密度函數，具體包括：

首先，在不引入擾動的情況下，待測部分相干渦旋光束在傅里葉平面的光強表示為：

I₀(ρ)＝∫∫W(r₁,r₂)exp[-i2πρ(r₁-r₂)]dr₁dr₂

其中W(r₁,r₂)是待測部分相干渦旋光束的交叉譜密度，當在r＝r₀處引入擾動，光強表達式變成：