[發(fā)明專利]一種基于非完整渦旋光的徑向距離測量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110373618.2
• 申請(qǐng)日: 2021-04-07
• 公開（公告）號(hào): CN113514027B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱松;任元;丁友;劉通;劉政良;王琛;沙啟蒙;李智猛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C3/00
• 分類號(hào): G01C3/00
• 代理公司: 北京中政聯(lián)科專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11489
• 代理人: 鄭久興

本發(fā)明涉及一種基于非完整渦旋光的徑向距離測量方法。渦旋光是一種具有螺旋波陣面的特殊光場，光束的一部分可稱為非完整渦旋光，光束橫截面上的能量分布通常為扇形圓環(huán)。坡印廷矢量表征渦旋光的能量傳播方向，與光束傳播方向不重合，非完整渦旋光的能量分布會(huì)隨光束傳播發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過測量旋轉(zhuǎn)角度可得到光束傳播距離。首先，使用空間光調(diào)制器制備非完整渦旋光，通過準(zhǔn)直與濾波后用CCD相機(jī)在光路上檢測光斑形狀，并提取光斑的外邊緣。通過測量光束半徑和光斑旋轉(zhuǎn)角度，即可得出光束傳播的距離，實(shí)現(xiàn)徑向距離的測量。本方法光路簡潔，操作簡便，靈活性強(qiáng)，可在一定精度內(nèi)測量目標(biāo)距離。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于非完整渦旋光的徑向距離測量方法，通過測量非完整渦旋光在傳播過程中的光束半徑和光斑旋轉(zhuǎn)角度，可得到光束的傳播距離。本方法可運(yùn)用非完整渦旋光在無需接受反射光信號(hào)的情況下實(shí)現(xiàn)距離測量，屬于渦旋光探測領(lǐng)域，可應(yīng)用于徑向距離的測量。

技術(shù)背景

光場中的渦旋現(xiàn)象最初由Boivin、Dow和Wolf于1967年在透鏡組的焦平面附近發(fā)現(xiàn)。1973年，Bryngdahl首次開展了對(duì)制備渦旋光實(shí)驗(yàn)方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用連續(xù)激光成功制備了渦旋光。1990年Yu、Bazgenov?V首次使用光柵法完成了渦旋光的制備。1992年，L.Allen發(fā)現(xiàn)了在近軸條件下帶有相位因子的渦旋光束具有軌道角動(dòng)量(OAM)，其中l(wèi)為渦旋光軌道角動(dòng)量拓?fù)浜蓴?shù)，為方位角；每個(gè)光子攜帶的軌道角動(dòng)量，為約化普朗克常數(shù)，該角相位因子說明渦旋光在傳播過程中，若光束傳播一個(gè)周期，則波陣面正好繞光軸旋轉(zhuǎn)一周，相位也相應(yīng)改變2πl(wèi)。

渦旋光作為一種具有螺旋波陣面的新型結(jié)構(gòu)光束，在光通信、粒子微操控、運(yùn)動(dòng)探測、光學(xué)微測量等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。拉蓋爾-高斯光是一種典型的渦旋光，光束中的光子不僅具有自旋角動(dòng)量(SAM)，也具有軌道角動(dòng)量(OAM)，拓?fù)浜蓴?shù)決定了OAM的大小。完整的單一態(tài)拉蓋爾-高斯光束具有圓環(huán)形的強(qiáng)度分布和中空暗核，光束中心強(qiáng)度為零的區(qū)域被定義為相位奇點(diǎn)。渦旋光束根據(jù)相位奇點(diǎn)的類型可分為兩類，一類是光場的偏轉(zhuǎn)方向相同，奇點(diǎn)的相位不確定，稱為相位渦旋光；另一類是奇點(diǎn)的偏振方向不確定，稱為矢量渦旋光，拉蓋爾-高斯光是一種相位渦旋光。

渦旋光的制備是開展渦旋光研究的基礎(chǔ)，常用的制備方法包括模式轉(zhuǎn)換法、計(jì)算全息法、空間光調(diào)制器法、Q板法和矩陣螺旋相位板法。在實(shí)驗(yàn)室條件下，空間光調(diào)制器法是一種常用的制備方法。空間光調(diào)制器通過控制電場引起液晶顯示器空間相位或振幅圖像的變化，從而將一定的信息寫入光波中，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的調(diào)制。通過復(fù)振幅調(diào)控技術(shù)制備拉蓋爾-高斯光的全息圖樣并加載到空間光調(diào)制器，用一束線偏振高斯光照射空間光調(diào)制器，出射光即為拉蓋爾-高斯光束。

拉蓋爾-高斯光束是柱坐標(biāo)系下近軸波動(dòng)方程的一組解，當(dāng)傳播距離z＝0時(shí)，在柱坐標(biāo)系下可以表示為：

其中U為拉蓋爾—高斯光的波矢量，為柱坐標(biāo)，r為極徑，為極角，l為拓?fù)浜蓴?shù)，p為徑向節(jié)數(shù)，ω₀為基模高斯光的束腰半徑，為拉蓋爾多項(xiàng)式，i為虛數(shù)單位，π為圓周率。

渦旋光具有螺旋形的相位分布，其能量密度矢量與傳播方向不重合，而是有一定的夾角。能量密度矢量通常表示為坡印廷矢量，根據(jù)坡印廷矢量的含義，其方向與光束的波陣面垂直。對(duì)于一束線性極化的拉蓋爾-高斯光束，坡印廷矢量與光束傳播軸的夾角為α，其大小滿足

式中l(wèi)表示拓?fù)浜蓴?shù)，λ表示光波長，r為渦旋光束的半徑。當(dāng)α的大小為毫弧度量級(jí)時(shí)，sinα可以近似為α。