[發明專利]一種測量分數階關聯渦旋光束拓撲荷的裝置

在審

• 申請號: 202110596850.2
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113155296A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 陳君;李巖松
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種測量分數階關聯渦旋光束拓撲荷的裝置。包括：激光器產生分數階關聯渦旋光，調整光束光斑大小使其能覆蓋全息型相位板；測量分數階關聯渦旋光的交叉譜密度函數(CCF)，并觀測該函數空間中待測關聯渦旋光橫截面上分數拓撲荷(FTC)缺口位置；在空間光調制器上加載數字全息相位板并調整其方位角，使數字全息相位板產生的CCF缺口與待測關聯渦旋的FTC缺口重合；使用小孔光闌選取空間光調制器反射出的一級衍射光；改變數字全息相位板的相位差；使待測光場CCF中FTC缺口與相位板缺口的重合處呈現：缺口出現?缺口消失?缺口出現；使用這三個現象所對應的相位差，計算FTC的小數部分，結合整數拓撲荷部分得出關聯渦旋光分數階拓撲荷的最終值。

技術領域

本發明提供一種測量分數階關聯渦旋光束拓撲荷的裝置。該裝置可以測量分數階關聯渦旋光束中的拓撲荷數值的小數部分，可應用于光學圖像編碼、光通信、微粒操縱、光學囚禁和光探測等領域。

背景技術

光學渦旋是具有相位奇點的螺旋分布波，在強度分布的中間出現暗區。螺旋相位扭曲波前，用指數項exp(ilθ)表示，其中θ為旋轉方位角，l表示拓撲荷。在近軸傳播條件下，光學渦旋中的每個光子都具有的拓撲荷，其中表示普朗克常量。拉蓋爾-高斯光束、高階貝塞爾光束和超幾何高斯光束是一些著名的渦旋光束。

渦旋束的渦旋狀態可以在整數值的基礎上考慮分數階，其中分數階渦旋狀態是整數渦旋束狀態基礎的疊加。分數階渦旋光(Fractional Vortex)具有螺旋形的相位結構，中心光強為零，光斑存在獨特徑向缺口，含有確定拓撲荷(Orbital Angular Momentum，簡記為OAM)等特性，這些特性使分數階渦旋光在非線性光學，生物醫學，光通信等領域有廣泛的應用前景。

關聯渦旋光是光渦旋經過大氣湍流的一種隨機光場，此光源更加接近真實環境的光源，其在實際生產生活中的應用具有重要意義。我們稱這種隨機光束為部分相干渦旋光(PCVB)。分數階部分相干渦旋光，因為包含有拓撲荷小數部分，極大地提高了渦旋光信息的承載量，是光學圖像編碼和光通信的一個新方向。

目前，分數階拓撲荷(FTC)的測量方法有以下幾種。比如，通過級聯Mach-Zehnder干涉儀獲得渦旋光束與其共軛光束之間的干涉強度圖，以此來測量FTC；另一種方法是利用動態角雙狹縫法測量渦旋光束的FTC。這些方法所使用的光路比較復雜，在實際應用中實現有一定困難，且大多僅適用于一種特定的渦旋光束。

文獻Hosseini-Saber M A,Akhlaghi E A,Saber A.Diffractometry basedvortex beams fractional topological charge measurement[J].Optics Letters,2020,45(13):3478-3481.報道了一種測量分數階渦旋光束拓撲荷的方法。該方法使用具有一定厚度的相位板，通過控制其傾斜角度來測量分數階渦旋光束的拓撲荷小數部分。但是，該方法依賴于渦旋光束的衍射光強分布特征，只能測量完全相干渦旋光的拓撲荷。在擾動環境下，光場相干性下降，光強衍射圖案的結構特征將消失。因此，該方法無法測量分數階關聯渦旋光的拓撲荷小數部分。此外，該技術所使用的相位板傾斜角度和旋轉的角度易受環境擾動影響，不易實現量化控制，容易產生較大實驗誤差，影響測量精確度。以上是目前分數階渦旋光拓撲荷測量尚未解決的主要問題。

發明內容

本發明旨在克服現有技術的不足，提供一種測量分數階關聯渦旋光束拓撲荷的裝置。本發明提供的裝置將相位板寫入全息片中，通過改變全息片的方位角和相位差來量化控制出射光場的關聯函數空間分布。利用光場二階關聯函數的分布特征來測量分數階關聯渦旋光的拓撲荷。

實現本發明目的的技術方案是提供一種測量分數階關聯渦旋光束拓撲荷的裝置，包括以下步驟：