CN105258808B - 一种判断部分相干拉盖尔‑高斯光束涡旋方向的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种判断部分相干拉盖尔‑高斯光束涡旋方向的方法。将待测量的部分相干拉盖尔‑高斯光束通过分光镜分成参考光和信号光；信号光通过两个互相垂直的柱面透镜，并传输距离z，然后通过关联系统测得信号光交叉光谱密度的不对称空间分布；参考光通过光束分析系统测得光束的光强空间分布。将上述测量的信号光交叉光谱密度的不对称空间分布和参考光的光强空间分布依据部分相干拉盖尔‑高斯光束的一阶相干度涡旋分布特性，经计算机处理，获得待测光束的一阶相干度分布图。该分布图的对称轴偏转方向对应部分相干拉盖尔‑高斯光束涡旋的方向。本发明所提供的测量光束相干涡旋方向的方法不需要昂贵的仪器，测量装置简单，判断直观，结果可靠。
Description
技术领域
本发明专利提供一种判断部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法。该方法可应用于相干度较低的部分相干涡旋光系统，属于部分相干光学测量领域。
背景技术
光学涡旋出现在光场中的奇异点。该位置处，光场的振幅为零相位无法被定义。在光场奇异点附近，等相面呈现螺旋形分布。这种螺旋形式的相位分布，使得携带有光学涡旋的光束具有轨道角动量，因而在光学俘获，原子操纵，信息存储和量子通信等许多邻域表现出巨大的应用前景。有关光学涡旋的研究迅速发展，成为现代光学的一个重要分支。
在光学涡旋的研究和应用中，如何判断涡旋方向是一个热点问题。众所周知，掌握光学涡旋的方向信息，相当于为光存储和光量子通信提供了一个额外自由度，可使通信光束携带的数据量成倍增加。此外，获知涡旋方向及其空间分布还有助于涡流干涉仪中连续相位检测的进行。因此，光束涡旋方向的判断方法引起了人们的广泛关注。许多判断光涡旋方向的方法相继提出。然而，目前有关于光涡旋方向的判断方法都局限在相干光领域。针对部分相干涡旋光的涡旋方向判断方法还存在空缺。部分相干的涡旋光束在激光加工、光镊、自由空间光通信等方面具有独特的优势，且实际应用中的涡旋光束并不都是理想的完全相干光，部分相干光是光束更加一般的存在状态。因此，研究部分相干涡旋光的涡旋特点并对其涡旋方向进行判断具有重要意义。
部分相干拉盖尔-高斯光束是一种具有相干涡旋结构的部分相干光束(F.Wang，Y.Cai，and O.Korotkova，“Partially coherent standard and elegant Laguerre-Gaussian beams of all orders，”Opt.Express 17，22366(2009))，在自由光通信、量子信息交换等领域具有广泛应用前景。文献(Effect of spatial coherence on determiningthe topological charge of a vortex beam，APPLIED PHYSICS LETTERS 101，261104(2012))提出了一种测量部分相干涡旋光束拓扑荷大小的方法，但是该方法只能获得涡旋大小无法获得涡旋方向。目前实验测量部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法及装置尚处于空缺状态。
发明内容
本发明专利的目的是在于克服现有技术的不足，提供一种测量方法简单，数据处理方便的部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的测量方法。
实现本发明目的的技术方案是提供一种测量部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法，测量方法包括以下步骤：
(1)将待测量的部分相干拉盖尔-高斯光束通过第一个分光镜，分成参考光和信号光；将上述信号光在自由空间传输距离z0，然后通过两个互相垂直且放置位置间隔距离l0的柱面透镜，到达位于第二个柱面透镜后z处的关联系统测量平面；通过关联系统测得在该测量平面处信号光束交叉光谱密度的不对称空间分布W(ρ2，z)，其中ρ2是垂直光轴平面上的横向空间位置ρ2＝(x2，y2)；
(2)将通过第一个分光镜后获得的上述参考光，在自由空间传输距离z0+l0+z后，到达光强测量平面，通过光束分析系统测得该测量平面上的光强空间分布I(ρ2，z)；
(3)根据上述得到的信号光束交叉光谱密度分布W(ρ2，z)和参考光光强空间分布I(ρ2，z)，计算出待测部分相干拉盖尔-高斯光束的一阶相干度空间分布μ(ρ2，z)，按式
其中I(0，z)是光强测量平面上光轴中心处参考光光强。
本发明所述的一种判断部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法：上述关联测量平面上的信号光交叉光谱密度分布W(ρ2，z)按式
其中，λ是信号光波长，k＝2π/λ是信号光波数，i是单位虚数，p和l分别表示该光束的拉盖尔径向指数和方位指数，参数m，n，h，s，d，c1，c2，d1，e1，e2是非负整数；ω0是信号光初始束腰宽度，σg是信号光初始横向相干宽度；q是信号光光束种类指数，取值和q＝1，分别代表光束为标准拉盖尔高斯模式和优雅拉盖尔高斯模式；ε表示信号光相干涡旋的方向，其取值ε＝1或ε＝-1，分别代表涡旋左旋或右旋；HjO表示指数为j的厄米多项式；g是信号光模式权重因子，按式
其它参数为
式中，A1，2 *和B1，2 *分别表示A1，2和B1，2的共轭，f1和f2分别表示两个柱面透镜的焦距。
实现本发明目的的技术方案是提供一种测量部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法，测量步骤还包括：
(1)设置第二个柱面透镜到关联系统测量平面之间的距离，使得z＝zc，获得具有极大空间分布不对称性的交叉光谱密度图样W(ρ2，zc)，其中zc按式
上式zc有两个取值，需要通过下面方式筛选出有效值：分别在两个zc值处用关联系统测量信号光束交叉光谱密度分布W(ρ2，zc)，其中一个zc对应的交叉光谱密度分布图样具有极大的空间分布不对称性，此时对应的zc即为有效值；
(2)设置z为该有效zc，用关联系统测量该处的信号光交叉光谱密度分布W(ρ2，zc)；再调整第一个分光镜到光强测量平面的距离为z0+l0+zc，利用光束分析系统测量该处的参考光光强分布I(ρ2，zc)；计算获得具有偏转对称轴的一阶相干度图样μ(ρ2，zc)；该一阶相干度分布图的对称轴偏转方向即为部分相干拉盖尔-高斯光束的涡旋方向。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出一种新型的可以测量部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法。本发明提出的方法实用于相干度较低或者较差的系统。
2.本发明所采用的部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋测量装置，光路简单，测量方法可靠直观，数据处理方便。
3.本发明不需要借助其他特殊光学元件，且装置稳定好。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的一种判断部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的测量装置示意图。
图2是采用本发明实施例提供的一种判断部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的测量装置，测得不同涡旋拓扑荷数l和不同涡旋方向ε在(a)l＝1，ε＝1，z＝zc，(b)l＝1，ε＝-1，z＝zc，(c)l＝3，ε＝1，z＝zc，l＝3，ε＝-1，z＝zc处所对应的部分相干拉盖尔-高斯光束一阶相干度函数1+log[μ(ρ2，0，z)]的空间分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释，也是本发明比较好的应用形式，但本发明并不局限于以下实施例。
参见图1所示，它是本实施例提供的一种部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向测量装置的结构示意图：它包括拉盖尔-高斯关联的部分相干光源1；第一个分光镜2；聚光透镜3；光束分析仪4；第一个柱面透镜5；第二个柱面透镜6；第二个分光镜7；聚焦透镜8、9；单光子计数器10-1和10-2；符合计数器11；计算机12。
本实施例中，所述拉盖尔-高斯关联的部分相干光源1产生一束部分相干拉盖尔-高斯涡旋光束；该光束具有相干涡旋结构，其相干涡旋的旋转方向即为本发明的测量对象；将所述部分相干拉盖尔-高斯涡旋光束通过第一个分光镜2分为反射光束和投射光束；反射光束即是本发明的参考光，它经聚光透镜3聚焦后通过位于透镜焦点处的光束分析仪4；该光束分析仪4连接计算机12，在计算机12上获得待测部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋的光强分布图I(ρ2，z)；这里经第一个分光镜2后反射光束所经历的光路系统为光束分析系统，光束分析仪4的测量平面为光强测量平面。
本实施例中，所述部分相干拉盖尔-高斯涡旋光束经第一个分光镜2后的透射光束即为本发明的信号光；所述信号光在自由空间传输一段距离后，通过互相垂直的两个柱面透镜5、6，再通过第二个分光镜7；其中第一个分光镜2到柱面透镜5之间的距离是z0，两个柱面透镜5、6之间的间隔距离是l0，第二个柱面透镜6到第二个分光镜7的距离是z；所述的第二个分光镜7及之后的光路系统为关联测量系统，第二个分光镜7的放置平面为关联测量平面；所述信号光经第二个分光镜7后分成反射光束和透射光束，分别在反射光束光路和透射光束光路的相同光程处放置具有相同焦距的聚焦透镜8、9；经聚焦透镜8、9聚焦后的反射光路光束和透射光路光束分别通过位于透镜8、9焦点处的两个单光子计数器10-1、10-2；所述单光子计数器10-1和10-2，将输出信号同时送到符合计数器11进行符合计数，得到信号光在关联测量平面上的交叉光谱密度W(ρ2，z)并传到计算机12；同时调整第一个分光镜2到光束分析仪4的距离为z0+l0+z，得到光束分析系统测量平面上的参考光光强I(ρ2，z)并传送到计算机12；所述计算机12通过进行相关计算得到待测部分相干拉盖尔-高斯光束的一阶相干度图样μ(ρ2，z)。
在本实施例中，第一个柱面透镜5的长轴处在垂直于信号光传播方向的平面内，焦距f1；第二个柱面透镜6的长轴方向与第一个柱面透镜5的长轴方向垂直且与其共面，焦距f2；第二个柱面透镜6到第二个分光镜7之间的距离z，以及光束分析仪4到第一个分光镜2的距离z0+l0+z，其中距离z是可以进行手动调整。单光子计数器10-1、10-2扫描探头为单模光纤，单模光纤探头置于手动的位移平台上。第一个分光镜2和第二个分光镜7的透射率和反射率均为50％，以保证两束光强接近。
本实施例中，上述关联测量平面上的信号光交叉光谱密度W(ρ2，z)按式
其中，λ是信号光波长，k＝2π/λ是信号光波数，i是单位虚数，p和l分别表示该光束的拉盖尔径向指数和方位指数，参数m，n，h，s，d，c1，c2，d1，e1，e2是非负整数；ω0是信号光初始束腰宽度，σg是信号光初始横向相干宽度；q是信号光光束种类指数，取值和q＝1，分别代表光束为标准拉盖尔高斯模式和优雅拉盖尔高斯模式；ε表示信号光相干涡旋的方向，其取值ε＝1或ε＝-1，分别代表涡旋左旋或右旋；HjO表示指数为j的厄米多项式；g是信号光模式权重因子，按式
其它参数为
式中，A1，2 *和B1，2 *分别表示A1，2和B1，2的共轭，f1和f2分别表示两个柱面透镜的焦距。
本实施例中，
(1)设置第二个柱面透镜到关联系统测量平面之间的距离，使得z＝zc，以获得具有极大空间分布不对称性的交叉光谱密度图样W(ρ2，zc)，其中zc按式
上式zc有两个取值，需要通过下面方式筛选出有效值：分别在两个zc处用关联系统测量信号光交叉光谱密度图样W(ρ2，zc)，其中一个zc对应的信号光交叉光谱密度图样具有极较大的空间分布不对称性，此时对应的zc即为有效值；
(2)设置z为该有效zc，用关联系统测量该处的信号光交叉光谱密度W(ρ2，zc)；再调整第一个分光镜到光强测量平面的距离为z0+l0+zc，利用光束分析系统测量该处的参考光光强I(ρ2，zc)；
(3)通过进行计算，得到具有加大空间不对称性的一阶相干度的空间分布图样μ(ρ2，zc)；该一阶相干度分布图的对称轴偏转方向即为部分相干拉盖尔-高斯光束的涡旋方向。
本实施例实现了对部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的判断，并且具有结构设计合理，部件少，判断直观等特点。
Claims (2)
1.一种判断部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法，其特征在于测量方法包括如下步骤：
(1)将待测量的部分相干拉盖尔-高斯光束通过第一个分光镜，分成参考光和信号光；将上述信号光在自由空间传输z0距离，然后通过两个互相垂直且放置位置间隔距离l0的柱面透镜，然后到达位于第二个柱面透镜后z处的关联系统测量平面；通过关联系统测得在该测量平面处信号光交叉光谱密度的不对称空间分布W(ρ2，z)，其中ρ2是垂直光轴平面上的横向空间位置ρ2＝(x2，y2)；
(2)将通过第一个分光镜后获得的上述参考光，在自由空间传输距离z0+l0+z后，到达光强测量平面；通过光束分析系统测得该测量平面上的光强空间分布I(ρ2，z)；
(3)根据上述得到的信号光束交叉光谱密度分布W(ρ2，z)和参考光光强空间分布I(ρ2，z)，计算出上述待测部分相干拉盖尔-高斯光束的一阶相干度空间分布μ(ρ2，z)，按式
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其中I(0，z)是光强测量平面上光轴中心处参考光光强；
(4)上述一阶相干度空间分布μ(ρ2，z)还需进行以下设定：
(A)设置第二个柱面透镜到关联系统测量平面之间的距离，使得z＝zc，以获得具有极大空间分布不对称性的交叉光谱密度图样W(ρ2，zc)，其中zc按式
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其中，f1和f2分别表示两个柱面透镜的焦距；上式zc有两个取值，需要通过下面方式筛选出有效值：分别在两个zc处用关联系统测量信号光交叉光谱密度图样W(ρ2，zc)，其中一个zc对应的信号光交叉光谱密度图样具有极较大的空间分布不对称性，此时对应的zc即为有效值；
(B)设置z为该有效zc，用关联系统测量该处的信号光交叉光谱密度W(ρ2，zc)；再调整第一个分光镜到光强测量平面的距离为z0+l0+zc，利用光束分析系统测量该处的参考光光强I(ρ2，zc)；
(C)通过进行计算，得到具有加大空间不对称性的一阶相干度的空间分布图样μ(ρ2，zc)；该一阶相干度分布图的对称轴偏转方向即为部分相干拉盖尔-高斯光束的涡旋方向。
2.根据权利要求1所述的一种判断部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法，其特征在于：上述关联测量平面上的信号光交叉光谱密度分布W(ρ2，z)按式
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式中，A1，2 *和B1，2 *分别表示A1，2和B1，2的共轭。
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