一种螺旋光束轨道角动量谱的检测装置和检测方法与流程

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种螺旋光束轨道角动量谱的检测装置和检测方法。

背景技术：
轨道角动量是光的一个重要物理参数。对光子轨道角动量的研究一直是光学领域的热门话题。携带轨道角动量的光束被称为螺旋光束，是一种具有形式相位因子的光束，每个光子携带的轨道角动量为(其中l为轨道角动量量子数，l＝0,±1,±2,......，为普朗克常数h与2π的比值)。该类光束的典型特征在于：具有周期性的螺旋相位波前，当l＝0时，该类光束与普通的基模高斯光束在截面内的强度分布相同；而当l≠0时，这类光束中心存在相位奇点并且光束的中心强度为0，光强在其截面上呈环状分布。近年来，围绕着螺旋光束的产生、检测、传输及应用等方面取得了重要进展，在诸多科技领域展现了广阔的应用前景，例如微粒子操纵、生物医学、信息传输等。目前，针对螺旋光束所具有的轨道角动量值的检测，主要的方法有马赫-曾德尔干涉仪级联法、组合半波片法(专利申请号：201210004877.9)、利用Porro棱镜旋转光束法(发明专利申请号：200810115598.3)及螺旋光束衍射法(专利申请号：201510191364.7)等。上述四种方法中，第一种方法测量高维轨道角动量时需要不断级联干涉装置，系统复杂庞大；第二种方法每进行一次测量就需更换一次波片重新调整光路，同样不方便检测；第三种方法引入了旋转元件Porro棱镜，调节难度大，不易检测；第四种方法通过检测基模高斯光束出现的衍射级位置从而判断出入射螺旋光束的轨道角动量值，虽然简单有效，但该方法只能针对具有单个轨道角动量值的螺旋光束进行检测，无法实现轨道角动量谱的测量。

技术实现要素：
本发明的目的是解决上述问题，提供一种能够更加简单方便地实现螺旋光束轨道角动量谱测量的检测装置。本发明的另一目的在于提供一种基于上述检测装置的检测方法，通过控制模块生成一系列具有特定叉状数(叉状数可以是任意整数)的叉状相位图，并通过程序控制依次显示输出到空间光调制器上。待测光束入射至空间光调制器后将得到衍射光场，此时将-1级衍射光耦合进入单模光纤并通过数据采集模块采集光功率，反馈至控制模块显示输出功率谱，经分析处理即可输出待测螺旋光束的轨道角动量谱。为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种螺旋光束轨道角动量谱的检测装置，包括顺着光束传播路径设置的半波片、空间光调制器、聚焦透镜、孔径光阑和光纤耦合头，螺旋光束通过半波片旋转后入射空间光调制器，聚焦透镜将空间光调制器衍射后的光束聚焦成像，孔径光阑选出经聚焦透镜输出的-1级衍射光，光纤耦合头将通过孔径光阑后的光束耦合；光纤耦合头通过单模光纤与数据采集模块相连，数据采集模块与控制模块相连，数据采集模块用于探测通过单模光纤输出的基模高斯光束的光功率值并传输至控制模块；所述空间光调制器也与控制模块电连接，控制模块用于将叉状相位图输出到空间光调制器上。优选地，所述数据采集模块包括相连的功率探测器和数据采集卡，功率探测器与单模光纤相连，数据采集卡与控制模块相连。优选地，顺着光束传播路径，所述聚焦透镜和孔径光阑之间还设有检偏器，用于对衍射光场进行检偏。优选地，所述叉状相位图包括中心具有叉状数为{m1,m2,m3,…mi}且其周期结构不变的叉状相位图。优选地，所述控制模块包括显示单元，显示单元用于显示光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图。一种螺旋光束轨道角动量谱的检测方法，其特征在于包括下列步骤：步骤一、通过控制模块将具有固定周期结构的叉状相位图以间隔时间t输入到空间光调制器；步骤二、将螺旋光束通过半波片入射至检测装置，数据采集模块同时同步间隔时间t采集得到光功率值，控制模块处理得到光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图；步骤三、观察光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图，如果只在叉状数为mi的叉状相位图处采集到一个峰值，则入射螺旋光束的轨道角动量值l＝mi；如果在叉状数为m1、m2…mi的叉状相位图处采集到峰值，且峰值的归一化强度大小分别为P1，P2…Pi，则入射螺旋光束的轨道角动量值分别为l1＝m1，l2＝m2…li＝mi，其强度比为各峰值的归一化强度大小之比。优选地，在步骤一中，所述叉状相位图包括中心具有叉状数为{m1,m2,m3,…mi}且其周期结构不变的叉状相位图。本发明的有益效果是：本发明所提供的螺旋光束轨道角动量谱的检测装置和检测方法不仅可以实现对任意轨道角动量值的螺旋光束的快速检测，同时，能够实现对螺旋光束轨道角动量谱的准确测量。附图说明图1是本发明检测装置的结构示意图；图2是本发明控制模块生成的具有固定周期结构的叉状相位图的示意图；图3是本发明实施例一中光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图；图4是本发明实施例二中光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图；附图标记说明：1、半波片；2、空间光调制器；3、聚焦透镜；4、检偏器；5、孔径光阑；6、光纤耦合头；7、单模光纤；8、功率探测器；9、数据采集卡；10、计算机。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：如图1所示，本发明的螺旋光束轨道角动量谱的检测装置，包括半波片1、空间光调制器2、聚焦透镜3、孔径光阑5、光纤耦合头6、单模光纤7、数据采集模块和控制模块。半波片1、空间光调制器2、聚焦透镜3、孔径光阑5和光纤耦合头6顺着光束传播路径设置，光纤耦合头6通过单模光纤7与数据采集模块相连，控制模块分别与数据采集模块和空间光调制器2接连。数据采集模块用于探测通过单模光纤7输出的光束的光功率值并传输至控制模块，控制模块一方面用于将叉状相位图输出到空间光调制器2上，另一方面将数据采集模块采集到的光功率数据进行分析处理并最终得到光功率随叉状相位图叉状数的变化关系图。空间光调制器是一种通过控制液晶亮度来改变入射光所具有的轨道角动量值的仪器。若以一束具有轨道角动量值为l的螺旋光束入射至空间光调制器，则其输出光场将具有类似光学衍射的效果。衍射光场中各衍射级的螺旋光束所具有的...