CN103954367A - 一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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

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涡旋的理论基础（M. V. Berry, J Opt a-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。

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。

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。

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

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。

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CCD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。

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                                               计算得到任意分数阶精度的拓扑荷值m。

一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置的测量方法，详细步骤如下：

步骤一、首先按照测量光路布置好上述部件，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，由计算机写入空间光调制器；通过计算机设定好微位移控制器、触发器的参数；

步骤二、打开连续波激光器电源，连续波激光器发出的激光束，经过准直扩束器后，再由高斯-平顶光束转换器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上，反射后也照射在分束镜上；涡旋光束与反射光束经分束镜合束后照射在会聚透镜上，然后，利用光阑选择涡旋光束合适的1级衍射光，经过检偏器后进入CCD相机，反射光束与涡旋光束在CCD相机中形成的干涉图像I ₁存储进计算机；

步骤五、根据计算机设定的参数，微位移控制器控制压电陶瓷微位移台带动反射镜沿垂直光路方向移动四分之一波长的距离；然后，触发器触发CCD相机拍摄第二幅干涉图I ₂存储进计算机；

步骤六、然后，微位移控制器控制压电陶瓷微位移台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；触发器触发CCD相机拍摄第三幅干涉图I ₃存储进计算机；

步骤七、然后，微位移控制器控制压电陶瓷微位移台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；触发器触发CCD相机拍摄第四幅干涉图I ₄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， ；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；根据涡旋光束拓扑荷值的定义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，消除系统误差和随机误差，最终获得涡旋光束的拓扑荷值。

本发明的工作原理是：

利用计算全息法和空间光调制器产生光学涡旋的步骤可分为三步：其一、利用计算机通过一定的编码方法产生二维计算全息图；其二、将设计的计算全息图写入空间光调制器，得到物理上可用的位错光栅；其三、用平面波照射到位错光栅上，在±1级衍射级次上产生的光学涡旋，通过滤波等操作提取出来。

假设有一沿z轴传播的涡旋光束

(1)

其中，m为涡旋光束的拓扑荷值阶数；

一束平面波传播方向与z轴夹角为α，则平面波函数可写为

(2)

假设两束光的束腰平面在z =0 平面上，当两束光在该平面发生干涉时，干涉光强分布为

(3)

若两光束都为单位振幅光束时，则

(4)

利用公式(4)可以模拟出平面波和涡旋光束的干涉图(全息图)，利用计算机全息术将其写入空间光调制器。当用平行光照射空间光调制器时，则再现出涡旋光束E ₁作为待测光束。

采用迈克尔逊干涉光路，通过反射镜反射的参考光和照射在空间光调制器上再现出的涡旋光束相互干涉，在CCD相机中形成的干涉条纹图的强度分布可表示为，

(5)

式中A(x,y)，B(x,y)分别为干涉条纹图的背景强度和调制强度，为待测涡旋光束E ₁的相位。

公式(5)中的I(x,y)是已知量，但A(x,y)，B(x,y)和均为未知量，即上述一个方程中含有3个未知量，因此若上述方程求解，至少要有3个独立方程，才能确定待测相位。

本申请方案中采用最成熟的时间相移干涉法中的四步相移法，获得四幅干涉条纹图求解。四次相移量依次为0, /2, , 3/2，对应的参考光的光程移动分别为0, /4, /2, 3/4；获得四幅干涉条纹图的光强分布可表示为

(6)

求解(6)式，可得涡旋光束的相位分布，

(7)

从公式(7)可以看出，为分布于(-/2, /2)区间上的包裹相位分布。采用合适的去包裹算法，获得涡旋光束的真实相位分布。

然后，根据涡旋光束拓扑荷值的定义m=θ/2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。最终，该方法可实现任意阶（0.1阶）精度的拓扑荷值的测量。

与以往技术相比，本发明的优点：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。

附图说明

图1为发明测量装置的结构示意图。

附图说明：100-连续波激光器，110-准直扩束器，120-高斯-平顶光束转换器，131-起偏器，140-分束镜，150-空间光调制器，210-压电陶瓷微位移台，220-反射镜，230-会聚透镜，240-光阑，132-检偏器，300-CCD相机，400-计算机，500-触发器，600-微位移控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

按照图1的结构布置测量光路图；由附图可见，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，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CCD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与计算机400和触发器500相连；

所述的CCD相机300与计算机400和触发器500相连。

一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置的测量方法，其主要是：

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150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，再由拓扑荷的定义计算得到任意分数阶精度的拓扑荷值m。

一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置的测量方法，其具体步骤如下：

步骤一、选择合适的连续波激光器100、准直扩束器110、高斯-平顶光束转换器120、起偏器131、分束镜140、空间光调制器150、反射镜220、压电陶瓷微位移台210、会聚透镜230、光阑240、检偏器132、CCD相机300、微位移控制器600、触发器500和计算机400，布置好测量光路，利用计算机全息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和触发器500的参数；

步骤二、打开连续波激光器100，连续波激光器100发出的激光束，经过扩束准直镜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，这保证了涡旋光束全息再现的准确性；

步骤三、将步骤二得到的平顶光束经起偏器131、分束镜140后分为反射光束和透射光束；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140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器140上；涡旋光束与反射光束经分束器140合束后照射在会聚透镜230上，然后，利用光阑240选择涡旋光束的1级衍射，经过检偏器132后进入CCD相机300，反射光束与涡旋光束在CCD相机300中形成的干涉图像I ₁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CCD相机300拍摄第二幅干涉图I ₂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220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CCD相机300拍摄第三幅干涉图I ₃存储进计算机400；

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220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CCD相机300拍摄第四幅干涉图I ₄存储进计算机400；

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，；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；根据涡旋光束拓扑荷值的定义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，消除系统误差和随机误差，最终获得分数阶涡旋光束的拓扑荷值。

经实验表明：本发明装置及方法能实现任意阶（0.1阶）涡旋光束拓扑荷值的测量，与现有测量方法相比，测试精度提高了一个数量级；并且具有光路简洁、快速、准确的特点。

Claims (3)

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CCD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CCD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                                                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1级衍射光，经过检偏器（132）后进入CCD相机（300），反射光束与涡旋光束在CCD相机（300）中形成的干涉图像I ₁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CCD相机（300）拍摄第二幅干涉图I ₂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CCD相机（300）拍摄第三幅干涉图I ₃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CCD相机（300）拍摄第四幅干涉图I ₄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， ；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；根据涡旋光束拓扑荷值的定义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。