CN107390373A - 一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的装置，包括光学平台，光学平台设有激光器和沿激光器光轴依次设置的可调衰减器、准直扩束系统、光阑、螺旋相位板、轴棱锥系统以及观测系统。采用本发明的技术方案后，运用单个光学元件直接对涡旋光进行拓扑电荷数检测，这极大地简化了拓扑荷数检测的实验装置结构。相比于传统检测方案，本方案更加简单快捷、成本低、检测效率也更高。并且由于轴棱锥的线聚焦特性，使得该方案在实际检测工作中无需对检测点进行严格定标，更加具备灵活性。本发明还提出了一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的方法，其在实际检测工作中更具备灵活性，实施起来更加的简单快捷，成本也较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的装置，适用于光束拓扑荷数检测、光学测量、光学微操控、科学研究等方面，是一种用于检测微操控光源拓扑荷数的有力工具，同时本发明还提出了一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的方法。
背景技术
涡旋光是一种具有螺旋波前且中心光强为零的空心光束。因其带有螺旋相位因子而具有轨道角动量，并且轨道角动量随拓扑电荷数的增大而增大，在与物质的相互作用过程中会有角动量的交换从而使物体发生旋转，可作为光学扳手。涡旋光在光学测量、量子信息编码、粒子旋转与操纵、图像处理等领域具有非常重要的应用价值，一直是研究的热门课题。目前产生涡旋光的方法主要有：计算全息法、空间光调制器法、螺旋相位板法以及几何光学模式转换法等。而相应的对于涡旋光拓扑电荷数的测量方法也大致可分为：Mach-Zehnder干涉法、计算全息图法、涡旋光与平面波干涉法、杨氏双峰干涉法等。2013年Vaity等提出利用凸透镜聚焦斜入射涡旋光的方式对涡旋光拓扑电荷数进行检测。此方法虽然简单可靠，但是由于凸透镜本身具备的点聚焦特性，致使携带拓扑电荷数信息的衍射光斑图仅出现在凸透镜焦点位置。因此应用此法进行涡旋光拓扑电荷数检测时，需要对检测点的位置进行严格定标。
鉴于此，本发明人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的装置，该装置具有结构简易、使用方便的优点。
本发明的另一目的在于提供一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的方法，该方法无需对检测点进行严格定标，在较长距离范围内均可实现对光束拓扑电荷数的检测，并且此方案在实际检测工作中更具备灵活性，实施起来更加简单快捷，成本也较低。
为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：
一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的装置，包括光学平台，光学平台设有激光器和沿激光器光轴依次设置的可调衰减器、准直扩束系统、光阑、螺旋相位板、轴棱锥系统以及观测系统。
作为本发明的一种优选方式，所述光学平台上设有光学支架，所述激光器、所述可调衰减器、所述准直扩束系统、所述光阑、所述螺旋相位板、所述轴棱锥系统以及所述观测系统分别安装在光学支架上。
作为本发明的一种优选方式，所述准直扩束系统为望远镜准直扩束系统。
作为本发明的一种优选方式，所述轴凌锥系统为可调旋转轴棱锥系统，可调旋转轴棱锥系统包括轴棱锥和高精度角度偏转器。
作为本发明的一种优选方式，所述观测系统为CCD观测系统。
本发明还提出一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的，获取涡旋光，将涡旋光正入射轴凌锥并产生含有涡旋光拓扑电荷数信息的畸变光斑图，通过观测系统显示畸变光斑图。
作为本发明的一种优选方式，所述轴凌锥倾斜设置，轴棱锥的倾斜角通过高精度角度偏转器调节，倾斜角的大小选取检测效果的角度值。
作为本发明的一种优选方式，通过激光器、可调衰减器、望远镜准直扩束系统、光阑以及螺旋相位板获得所述涡旋光。
作为本发明的一种优选方式，所述激光器2为波长λ＝632.8nm He-He激光器，从所述激光器出来的出射光束经所述可调衰减器后入射由焦距为f1和f2构成的所述望远镜准直扩束系统，经所述光阑后成为半径为的平行光束，再经所述螺旋相位板产生所述涡旋光。
作为本发明的一种优选方式，所述观测系统为CCD观测系统，观测距离在所述轴棱锥的最大无衍射距离内，最大无衍射距离可由公式计算得到，其中n为轴棱锥折射率，γ为轴棱锥底角。
采用本发明的技术方案后，运用单个光学元件直接对涡旋光进行拓扑电荷数检测，这极大地简化了拓扑荷数检测的实验装置结构。相比于传统检测方案，本方案更加简单快捷、成本低、检测效率也更高。并且由于轴棱锥的线聚焦特性，使得该方案在实际检测工作中无需对检测点进行严格定标，更加具备灵活性。
本发明方法的主要原理为轴棱锥的像散衍射特性原理以及轴棱锥的线聚焦特性。由于轴棱锥的像散衍射特性，会造成轴棱锥聚焦涡旋光产生的高阶贝塞尔光束发生光场畸变，并且由于像散的存在，造成聚焦后的光束在传输过程中发生了相位奇点分裂，分裂出的奇点个数等于对应的光束拓扑荷数，因此截面光斑图表现出中心光斑暗核分裂现象，分裂出的暗核数等于对应的光束拓扑荷数。此外，由于轴棱锥本身具备线聚焦特性，因此在很长一段距离范围内衍射光斑图均能显示出良好的暗核分裂现象。
附图说明
图1为本发明的系统组件原理示意图；
图2为本发明的系统光路示意图；
图中：
1-光学平台 2-激光器
3-可调衰减器 4-望远镜准直扩束系统
5-光阑 6-螺旋相位板
7-可调旋转轴棱锥系统 8-CCD观测系统
9-光学支架
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。
如图1所示，为本发明系统组件原理图，包括光学平台1，激光器2，可调衰减器3，望远镜准直扩束系统4，光阑5，螺旋相位板6，可调旋转轴棱锥系统7，CCD观测系统8和固定光学支架9。其中，可调旋转轴棱锥系统7由轴棱锥和高精度角度偏转器组成。各光学器件在光学平台上沿激光光轴依次放置。
如图2所示，为本发明的系统光路示意图。激光器2为波长为λ＝632.8nmHe-He激光器，出射光束经可调衰减器3后入射由焦距为f1和f2组成的望远镜准直扩束系统4，经光阑5后成为半径为的平行光束，再经螺旋相位板6产生涡旋光束，涡旋光束正入射可调旋转轴棱锥系统7后可产生含有涡旋光拓扑电荷数信息的畸变光斑图，应用CCD观测系统8可清晰显示出该畸变光斑图。运用CCD观测系统8进行观测时，CCD的观测距离z0应在轴棱锥的最大无衍射距离内，最大无衍射距离可由公式计算得到，其中n为轴棱锥折射率，γ为轴棱锥底角。此外，对于不同拓扑荷数的涡旋光进行检测需要不同的合适倾斜角，在实际检测工作中可根据具体情况选取检测效果较佳的倾斜角度值。
本发明的设计思路是基于轴棱锥的像散衍射特性原理。一束平行光经螺旋相位板(SPP)后可产生涡旋光，将获得的涡旋光正入射倾斜的轴棱锥器件。由于器件的倾斜放置造成轴棱锥在衍射特性中引入了像散因子，这就使得轴棱锥后产生的高阶贝塞尔光束发生了光场畸变，并且由于像散的存在，造成聚焦后的光束在传输过程中发生了相位奇点分裂，分裂出的奇点个数等于对应的光束拓扑荷数，因此截面光斑图表现出中心光斑暗核分裂现象，分裂出的暗核数等于对应的光束拓扑荷数。通过观察衍射光斑图即可达到检测目的。本方案具有实验装置结构简单、成本低、检测效率高等优势，并且此方案无需对检测点进行严格定标，在较长距离范围内均可实现对光束拓扑电荷数的检测，在实际检测工作中更具备灵活性，实施起来更加的简单快捷，适应性也更加广泛。因此本发明在光束拓扑荷数的检测工作中具有很高的实用价值。
本发明的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (10)
1.一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的装置，其特征在于：包括光学平台，光学平台设有激光器和沿激光器光轴依次设置的可调衰减器、准直扩束系统、光阑、螺旋相位板、轴棱锥系统以及观测系统。
2.如权利要求1所述的一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的装置，其特征在于：所述光学平台上设有光学支架，所述激光器、所述可调衰减器、所述准直扩束系统、所述光阑、所述螺旋相位板、所述轴棱锥系统以及所述观测系统分别安装在光学支架上。
3.如权利要求1所述的一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的装置，其特征在于：所述准直扩束系统为望远镜准直扩束系统。
4.如权利要求1所述的一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的装置，其特征在于：所述轴凌锥系统为可调旋转轴棱锥系统，可调旋转轴棱锥系统包括轴棱锥和高精度角度偏转器。
5.如权利要求1所述的一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的装置，其特征在于：所述观测系统为CCD观测系统。
6.一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于：获取涡旋光，将涡旋光正入射轴凌锥并产生含有涡旋光拓扑电荷数信息的畸变光斑图，通过观测系统显示畸变光斑图。
7.如权利要求6所述的一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于：所述轴凌锥倾斜设置，轴棱锥的倾斜角通过高精度角度偏转器调节，倾斜角的大小选取检测效果的角度值。
8.如权利要求7所述的一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于：通过激光器、可调衰减器、望远镜准直扩束系统、光阑以及螺旋相位板获得所述涡旋光。
9.如权利要求8所述的一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于：所述激光器2为波长λ＝632.8nm He-He激光器，从所述激光器出来的出射光束经所述可调衰减器后入射由焦距为f1和f2构成的所述望远镜准直扩束系统，经所述光阑后成为半径为的平行光束，再经所述螺旋相位板产生所述涡旋光。
10.如权利要求9所述的一种基于轴棱锥检测涡旋光拓扑荷数的方法，其特征在于：所述观测系统为CCD观测系统，观测距离在所述轴棱锥的最大无衍射距离内，最大无衍射距离可由公式计算得到，其中n为轴棱锥折射率，γ为轴棱锥底角。
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