一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置及其测量方法
【专利摘要】一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置及其测量方法，包括利用计算机全息技术将生成计算全息图写入空间光调制器的步骤；采用迈克尔逊干涉光路和四步相移技术获得涡旋光束的包裹相位图的步骤；利用相位图去包裹算法解析出涡旋光束的真实相位θ的分布，再由拓扑荷的定义m=θ/2π计算得到任意分数阶精度的拓扑荷值m。本发明装置及方法能实现分数阶涡旋光束任意阶(0.1阶)精度的拓扑荷值的测量，将涡旋光束拓扑荷值的测量从目前的半整数阶（0.5阶）精确到任意阶；可广泛应用于玻色-爱因斯坦凝聚、量子通信、信息编码与传输、粒子囚禁、光镊、光扳手等领域的拓扑荷值测量。
【专利说明】一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置及其测量方法，具体的说是涉及一种利用相位测量分数阶涡旋拓扑荷值的装置和方法。
【背景技术】
[0002]由于涡旋光束在玻色-爱因斯坦凝聚、量子信息编码、粒子囚禁、光镊及光扳手等领域具有重要的应用前景，成为近年来信息光学领域一个非常重要的研究热点。2004年，M.V.Berry首次系统、全面的阐述了分数阶光学润旋的理论基础(M.V.Berry, J Opta-Pure Appl Op 6 (2004) 259)。分数阶涡旋光束可携带更多信息量、且能提供更精细化的微粒操作，成为涡旋光学领域众多研究者竞相研究的热点课题。
[0003]生成分数阶光学涡旋的最简洁方法是利用计算全息图显示在空间光调制器上。由于分数阶涡旋光束的空间稳定性很差，因此，在研究分数阶涡旋光束特性及应用时，对生成的分数阶涡旋光束的拓扑荷值(即光子轨道角动量)进行精确测量是首先需要解决的问题。
[0004]从目前研究看，涡旋光束拓扑荷值的测量主要分为干涉测量和衍射测量。但这两种方法都是通过数干涉/衍射条纹数测量来实现，仅能达到半整数阶(0.5阶)精度(A.Mourka et al., Optics Express 19 (2011) 5760)的拓扑荷值测量。
[0005]因此，如何实现任意阶(0.1阶)精度的拓扑荷值的测量是该【技术领域】面临的一个亟待解决的技术难题。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题:提供一种能实现任意阶(0.1阶)精度的分数阶光学涡旋拓扑荷值测量的装置及其测量方法。
[0007]本发明所采用的技术方案为:一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置，包括一连续波激光器，在该连续波激光器的光束前进方向依次设有准直扩束器、高斯-平顶光束转换器、起偏器、分束镜；经分束镜后，激光束被分为透射光和反射光，透射光与反射光成90°夹角，透射光作为参考光束照射在空间光调制器上；反射光束照射在反射镜上，所述反射镜安装在压电陶瓷微位移台上；反射后的透射光束和反射光束再次经过分束镜合束后，经会聚透镜会聚后照射在光阑上，通过检偏器后进入CXD相机成像；
所述的空间光调制器与计算机连接，计算机将计算全息图输入到空间光调制器上；所述的压电陶瓷微位移台与微位移控制器相连，所述的微位移控制器分别与计算机和触发器相连；
所述的CCD相机分别与计算机和触发器相连。
[0008]一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置的测量方法，主要由以下内容构成:
包括利用计算机全息技术将生成计算全息图写入空间光调制器的步骤；
采用迈克尔逊干涉光路和四步相移技术获得涡旋光束的包裹相位图的步骤；利用相位图去包裹算法解析出涡旋光束的真实相位Θ的分布，再由拓扑荷的定义
【权利要求】
1.一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置，其特征在于:包括一连续波激光器(100)，在该连续波激光器(100 )的光束前进方向依次设有准直扩束器(110)、高斯-平顶光束转换器(120)、起偏器(131 )、分束镜(140);经分束镜(140)后，激光束被分为透射光和反射光，透射光与反射光成90°夹角，透射光作为参考光束照射在空间光调制器(150)上；反射光束照射在反射镜(220)上，所述反射镜(220)安装在压电陶瓷微位移台(210)上；反射后的透射光束和反射光束再次经过分束镜(140)合束后，经会聚透镜(230)会聚后照射在光阑(240 )上，通过检偏器(132 )后进入CXD相机(300 )成像； 所述的空间光调制器(150)与计算机(400)连接，计算机(400)将计算全息图输入到空间光调制器(150)上； 所述的压电陶瓷微位移台(210)与微位移控制器(600)相连，所述的微位移控制器(600)分别与计算机(400)和触发器(500)相连； 所述的CXD相机(300)分别与计算机(400)和触发器(500)相连。
2.根据权利要求1所述的一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置的测量方法，其特征在于: 包括利用计算机全息技术将生成计算全息图写入空间光调制器的步骤； 采用迈克尔逊干涉 光路和四步相移技术获得涡旋光束的包裹相位图的步骤； 利用相位图去包裹算法解析出涡旋光束的真实相位Θ的分布，再由拓扑荷的定义m=0/2n计算得到任意分数阶精度的拓扑荷值m。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于:步骤如下: 步骤一、利用计算机全息技术将待测涡旋光束与平行光生成计算机全息图，由计算机(400)写入空间光调制器(150);通过计算机(400)设定好微位移控制器(600)、触发器(500)的参数； 步骤二、打开连续波激光器电源，连续波激光器(100)发出的激光束，经过准直扩束器(110)后，再由高斯-平顶光束转换器(120)将高斯光束转换为平顶光束； 步骤三、将步骤二得到的平顶光束经分束镜(140)后分为反射光束和透射光束，反射光束和透射光束成90°夹角；透射光束作为参考光束照射在空间光调制器(150)上，解调出待测涡旋光束，照射在分束器上； 步骤四、步骤三得到的反射光束照射在反射镜(220)上，反射后也照射在分束镜(140)上；涡旋光束与反射光束经分束镜(140)合束后照射在会聚透镜(230)上，然后，利用光阑(240)选择涡旋光束合适的I级衍射光，经过检偏器(132)后进入C⑶相机(300)，反射光束与涡旋光束在CXD相机(300)中形成的干涉图像J1存储进计算机(400)； 步骤五、根据计算机(400)设定的参数，微位移控制器(600)控制压电陶瓷微位移台(210)带动反射镜(220)沿垂直光路方向移动四分之一波长的距离；然后，触发器(500)触发CXD相机(300)拍摄第二幅干涉图12存储进计算机(400)； 步骤六、然后，微位移控制器(600)控制压电陶瓷微位移台(210)带动反射镜再次沿垂直光路方向移动四分之一波长的距离；触发器(500)触发CXD相机(300)拍摄第三幅干涉图h存储进计算机； 步骤七、然后，微位移控制器(600)控制压电陶瓷微位移台(210)带动反射镜再次沿垂直光路方向移动四分之一波长的距离；触发器(500)触发CXD相机(300)拍摄第四幅干涉图h存储进计算机；步骤八、利用四步相移公式计算出待测涡旋光束的包裹相位分布，actany5T ;对获得的包裹相位分布图进行去包裹处理，解算出涡旋光束的真实相位分布δο;根据涡旋光束拓扑荷值的定义ιιι=0/:2π计算出待测光束的拓扑荷值m，其中θ为绕拓扑荷一周的相位改变，逆时针方向为正涡旋，顺时针方向改变为负涡旋； 步骤九、重复 上述过程，多次测量取平均值，最终获得涡旋光束的拓扑荷值。
【文档编号】G01J9/00GK103954367SQ201410159072
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】李新忠, 台玉萍, 王辉, 张利平, 李海生, 吕芳捷, 李立本 申请人:河南科技大学