CN104807544B - 一种光束轨道角动量值的检测装置和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光束轨道角动量值的检测装置和检测方法，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、聚焦透镜和CCD相机，所述空间光调制器和CCD相机均与计算机相连；该检测方法通过观察远场衍射图样中高斯亮斑的位置判断高斯光束所处的衍射级次，从而得到入射螺旋光束所具有的轨道角动量值；本发明的检测装置，具有结构简单、检测方便的优点。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种光束轨道角动量值的检测装置和检测方法。
背景技术
螺旋光束是一种具有形式相位因子的光束。螺旋光束中每个光子携带轨道角动量(其中l为轨道角动量值)。当l＝0时，该类光束与普通的高斯光束相同，而当l不等于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。由于该类光束具有周期性的螺旋相位波前，从而使其在光束微操纵、生物医学、非线性光学、光信息传输等领域有着重要的应用前景。近几年来，围绕着螺旋光束的产生、检测、传输及应用等方面的研究得到了迅速发展，日益成为现代光学的一个重要分支。目前，针对螺旋光束的检测，主要的方法有级联马赫-曾德尔干涉仪方法、组合半波片法、旋转多普勒方法及利用Porro棱镜旋转光束法(例如申请号为200810115598.3的发明专利)。这四种方法中，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；第二种方法测量时则需要不断地更换波片，同样不方便检测；而第三种和第四种方法都由于引入了连续旋转元件，使得调节的难度极大，综合这几种方法可以看出，目前仍然缺乏简单方便的装置可以实现对光束轨道角动量值的检测。
发明内容
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光束轨道角动量值测量的检测装置及一种检测光束轨道角动量值的方法，可以实现对任意轨道角动量值的螺旋光束的检测。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种光束轨道角动量值的检测装置，包括顺着光束传播路径设置的半波片、空间光调制器、聚焦透镜和CCD相机，所述空间光调制器和CCD相机均与计算机相连，计算机用于将叉状相位图输出到空间光调制器上；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，在CCD相机上得到远场衍射图样；计算机包括显示器，用于显示CCD相机检测到的远场衍射图样，通过观察远场衍射图样判断高斯光束所处的衍射级次，从而得到入射螺旋光束所具有的轨道角动量值。
优选地，顺着光束传播路径，所述聚焦透镜和CCD相机之间还设有偏振片，用于对衍射光场进行检偏。
优选地，所述叉状相位图的中心具有一个分叉。
一种光束轨道角动量值的检测方法，其特征在于包括下列步骤:
步骤一、通过计算机生成叉状相位图，并输出显示到空间光调制器上；
步骤二、将一束轨道角动量值为l的螺旋光束入射至检测装置，在显示器上显示该光束的远场衍射图样；
步骤三、观察远场衍射图样中高斯亮斑的位置判断高斯光束所处的衍射级次n，从而得到入射螺旋光束的轨道角动量值l，所述l＝-n。
优选地，在步骤一中，所述叉状相位图的中心具有一个分叉。
优选地，在步骤二中，螺旋光束经空间光调制器衍射后，保持各衍射级次位置不变，使远场衍射的零级光斑位置位于CCD相机的中央并固定。
本发明的有益效果是：本发明所提供的光束轨道角动量值的检测装置，结构简单，将螺旋光束入射至该检测装置，通过观察远场衍射图样中高斯亮斑的位置判断高斯光束所处的衍射级次，从而得到入射螺旋光束所具有的轨道角动量值，可快速方便地检测出入射螺旋光束所携带的轨道角动量值。
附图说明
图1是本发明检测装置的结构示意图；
图2是本发明叉状相位图的示意图；
图3是本发明轨道角动量值判断图；
图4是本发明实施例的实验结果图。
附图标记说明：1、半波片；2、空间光调制器；3、聚焦透镜；4、偏振片；5、CCD相机；6、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至图4所示，本发明的光束轨道角动量值的检测装置，包括半波片1、空间光调制器2、聚焦透镜3、偏振片4、CCD相机5和计算机6，半波片1、空间光调制器2、聚焦透镜3、偏振片4和CCD相机5顺着光束传播路径设置，计算机6分别与空间光调制器2和CCD相机5相连，计算机6包括主机、输入设备和输出设备，本实施例中计算机的输出设备包括显示器。
螺旋光束首先透过半波片1，半波片1用于将螺旋光束旋转到固定的偏振方向，以满足空间光调制器2对入射光束的偏振要求，空间光调制器2置于半波片1之后，计算机6用于将如图2所示的叉状相位图输出到空间光调制器2上并显示出来，螺旋光束经过叉状相位图发生衍射，空间光调制器2在该光路中相当于一个光栅，值得一提的是，如果可以制作实物的叉状相位图放在光路中，便可以省去空间光调制器2的设置；在本实施例中，叉状相位图的中心具有一个分叉，中心具有一个分叉的叉状相位图，能够使得输出光束的远场衍射图样中，每个衍射级次都对应一个轨道角动量值，保证入射的任意一束具有某个轨道角动量值的螺旋光束的远场衍射图样都可以对应于每个衍射级次的位置，只要找到该远场衍射图样中高斯亮斑的位置所对应的衍射级次，就能够确定入射螺旋光束的轨道角动量值；分叉的大小类似于光栅的周期，可由计算机程序设计得到，分叉大小的调整为常规技术手段，在此不再详述，只需选择合适的分叉大小使螺旋光束衍射之后各衍射级次之间的距离不至于太大也不至于太小即可；聚焦透镜3置于经空间光调制器2衍射后的光路中，用于聚焦成像，使得在CCD相机5上可以得到清晰的远场衍射图样；偏振片4置于聚焦透镜3后对衍射光场进行检偏，以提高成像质量；CCD相机5置于偏振片4之后，用于观察远场衍射图样；显示器用于显示CCD相机5检测到的远场衍射图样，观察CCD相机5检测到的图像，判断高斯光束所处的衍射级次，即可判断入射螺旋光束所具有的轨道角动量值，其原理为：衍射光场中各衍射级次的螺旋光束所具有的轨道角动量值L＝n+l，其中n为螺旋光束衍射的级次，L为输出光束所具有的轨道角动量值。当输出光束为高斯光束时，即L＝0时，其在CCD相机5的强度分布为一个中心没有相位奇点的高斯亮斑(中心强度不为0)；由L＝n+l＝0可知，高斯光束所对应的衍射级次n即为入射螺旋光束所具有的轨道角动量值的负值，即n＝-l。观察远场衍射图样中高斯亮斑的位置判断高斯光束所处的衍射级次n，从而得到入射螺旋光束的轨道角动量值l，所述l＝-n。
通过远场衍射图样判断入射螺旋光束所具有的轨道角动量值l如图3所示，图3中第一行标明了从空间光调制器2衍射出衍射级次n所在的位置；如图3a所示，当在显示器上观察到中心没有相位奇点的高斯亮斑在n＝0位置时，则可判断入射螺旋光束的轨道角动量值l＝0；如图3b所示，当在显示器上观察到中心没有相位奇点的高斯亮斑在n＝-1位置时，则可判断入射螺旋光束的轨道角动量值l＝1；同理，可判断图3c中的入射螺旋光束的轨道角动量值l＝2；图3d中入射螺旋光束的轨道角动量值l＝-1；图3f中入射螺旋光束的轨道角动量值l＝-2。
本发明还提供一种基于上述检测装置的光束轨道角动量值检测方法，包括以下步骤：
步骤一、通过计算机6生成叉状相位图，并输出显示到空间光调制器2上；在本实施例中，叉状相位图的中心具有一个分叉，中心具有一个分叉的叉状相位图，能够使得输出光束的远场衍射图样中，每个衍射级次都对应一个轨道角动量值，保证入射的任意一束具有某个轨道角动量值的螺旋光束的远场衍射图样都可以对应于每个衍射级次的位置，只要找到该远场衍射图样中高斯亮斑的位置所对应的衍射级次，就能够确定入射螺旋光束的轨道角动量值；分叉的大小类似于光栅的周期，可由计算机程序设计得到，分叉大小的调整为常规技术手段，在此不再详述，只需选择合适的分叉大小使螺旋光束衍射之后各衍射级次之间的距离不至于太大也不至于太小即可。
步骤二、将一束轨道角动量值为l的螺旋光束入射至检测装置，在显示器上显示该光束的远场衍射图样。
实施方式之一为，入射螺旋光束依次通过半波片1、空间光调制器2、聚焦透镜3和偏振片4，固定半波片1、空间光调制器2、聚焦透镜3和偏振片4，在显示器上得到螺旋光束经空间光调制器2衍射后各衍射级次位置不变且零级光斑位置位于CCD相机5的中央的远场衍射图样。由于空间光调制器2对入射光束角度有要求，一般为0到10°，通常情况下固定好空间光调制器2之后就不会再去调整它，这个时候如果需要使远场衍射的零级光斑的位置位于CCD相机5的中央，可以通过下列两种方法实现：一是对激光器的入射方向进行微调，调整入射螺旋光束的入射角；二是可以事先对CCD相机5的屏幕进行标定，标定出中央位置，通过计算机显示的图像，调整CCD相机5的位置，使远场衍射的零级光斑位于CCD相机5的中央，从而确定零级光斑的位置。
需要说明的是，由于偏振片4置于聚焦透镜3后对衍射光场进行检偏，以提高成像质量，在具体实施时，如果不用偏振片4的话，衍射效率会低一些，即偏振片4对于本发明的检测装置和检测方法为一个优选的方案。
步骤三、观察远场衍射图样中高斯亮斑的位置判断高斯光束所处的衍射级次n，从而得到入射螺旋光束的轨道角动量值l，所述l＝-n；判断原理在本发明的检测装置部分作了介绍，在此不再赘述。
图4为一束螺旋光束通过上述检测装置和检测方法获得的实验结果图。CCD相机5得到的如图4中第一行图像所示，分析此图像沿中心水平方的强度分布，如图4中最后一行图像所示，可知没有相位奇点的衍射图样出现在n＝0的位置，而有相位奇点的衍射图样(中心强度为0)均出现在其他衍射级次对应的位置上。通过上述原理分析，由n+l＝0可判断出入射光具有的轨道角动量值l＝0；本发明的检测装置和检测方法，通过肉眼观察计算机显示器上放大的远场衍射图样，清晰明了，判断入射光的轨道角动量值也快速方便，相对于传统螺旋光束的检测装置和方法，具有明显的优势。
本发明中的零级光斑指入射螺旋光束衍射时，处于衍射零级的位置的光斑。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种光束轨道角动量值的检测方法，其特征在于，使用一种光束轨道角动量值的检测装置，包括顺着光束传播路径设置的半波片(1)、空间光调制器(2)、聚焦透镜(3)和CCD相机(5)，所述空间光调制器(2)和CCD相机(5)均与计算机(6)相连，计算机(6)用于将叉状相位图输出到空间光调制器(2)上；螺旋光束通过半波片(1)旋转后入射空间光调制器(2)；聚焦透镜(3)将空间光调制器(2)衍射后的光束聚焦成像，在CCD相机(5)上得到远场衍射图样；计算机(6)包括显示器，用于显示CCD相机(5)检测到的远场衍射图样，通过观察远场衍射图样判断高斯光束所处的衍射级次，从而得到入射螺旋光束所具有的轨道角动量值；包括以下步骤:
步骤一、通过计算机(6)生成叉状相位图，并输出显示到空间光调制器(2)上，所述叉状相位图的中心具有一个分叉；
步骤二、将一束轨道角动量值为l的螺旋光束入射至检测装置，在显示器上显示该光束的远场衍射图样；
步骤三、观察远场衍射图样中高斯亮斑的位置判断高斯光束所处的衍射级次n，从而得到入射螺旋光束的轨道角动量值l，所述l＝-n。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：在步骤二中，螺旋光束经空间光调制器(2)衍射后，保持各衍射级次位置不变，使远场衍射的零级光斑位置位于CCD相机(5)的中央并固定。
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