CN107894288A - 部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及系统，所述方法包括：将部分相干光束转化为携带相位因子的待测试部分相干涡旋光束；将进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别穿过多孔阵列板；对穿过所述多孔阵列板的光束进行傅里叶变换；分别拍摄傅里叶变换后光束的光强信息；对拍摄得到的光强进行实时反傅里叶变换、筛选阵列筛选以及反传输处理，获得待测涡旋光束的拓扑荷分布结构。本发明本发明结构合理，涡旋光束拓扑荷的测量处理过程过程简单、耗时极短。
Description
技术领域
本发明涉及一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及系统。
背景技术
涡旋光束是一类具有涡旋型波前和中央暗核结构的特殊光束，其携带的相 位因子exp(ilθ)决定了该光束的每一个光子具有的轨道角动量，其中l代表拓扑 荷。近年来，光镊技术、光子计算、光数据存储和量子通信技术的发展正是得 益于对涡旋光束轨道角动量的利用：轨道角动量可以被传递到微粒上并用以控 制微粒平行移动和旋转。对两相互作用的涡旋光束的拓扑荷进行简单的算术操 作以实现数值控制的目的。通过涡旋光束随传输距离所显现的不同衍射成像特 性来对数据态进行分区，从而实现高数据存储。同时也可以对轨道角动量进行 信息编码使其成为信息传输的载体。
高相干性是激光束的一个重要特性，但是经过后续研究人们发现当激光相 干性降低时，光束同样可以保持激光原有特性(单色性、高亮度和高方向性等)， 甚至在某些特定领域较高相干性激光束具有一定优势。比如，在自由光通信中 提升信噪比和降低比特误差率、实现相干衍射成像和鬼成像等。随后，人们将“涡 旋”引入到这种部分相干光，并用部分相干涡旋光束来描述这种低相干性涡旋光 束。部分相干涡旋光束在自由空间光通信、光学捕获等领域比其对应的相干光 束在某些方面具有一定的优势。比如，它会减弱大气湍流引起的光强闪烁的影 响，它能在同一系统中同时捕获两种不同折射率(高、低折射率)的粒子等。
上述这些应用依赖于确定的轨道角动量或拓扑荷，而轨道角动量L与拓扑 荷l之间有确定的数值对应关系，即根据这一对应关系可知测量出涡旋 光束的拓扑荷，也就测量出其携带的轨道角动量，所以对涡旋光束、尤其是部 分相干涡旋光束的拓扑荷的测量也就成为科研工作者关注的焦点。
目前，对拓扑荷的测量对象集中在完全相干光，主要有光强分析法、衍射 法和干涉法三大类，其中光强分析法中的典型代表是频谱分析法，衍射法中的 典型代表是三角光阑衍射法，干涉法中的典型代表是双缝干涉法和共轭干涉法。
光强分析法(即频谱分析法)只能测量拓扑荷的数值大小，无法从频谱图 中判断出拓扑荷的符号。
三角光阑衍射法测量结果较为直观，通过计数形成的三角截断晶格阵列的 边缘任意一列的光斑数量就可判定出拓扑荷数值大小，符号也能通过阵列朝向 轻易判断，但是它的测量值有限，最大待测拓扑荷lmax＝7，l>7时的阵列晶格 光斑就无法区分。再者，对光路中的重要元件三角光阑有特定的精度要求，即 制备较为复杂。
双缝干涉法虽然能直观的判断出拓扑荷符号，但是对于拓扑荷数值的判定 只能定性的判定不能给出定量的评判标准，即扭曲幅度和拓扑荷数值之间没有 严格的数值对应关系，因为扭曲幅度不仅与拓扑荷数值有关，还与双缝宽度及 双缝到观察屏的距离有关。共轭干涉法虽然效果也很直观，分辨度高，但它只 能测量拓扑荷的数值大小，对于拓扑荷的符号却无法判定。
除此之外，上述拓扑荷测量方法目前都只适用于完全相干涡旋光束，对于 部分相干涡旋光束并不完全适用。比如，待测涡旋光束相干度会影响其对应的 空间频谱图的分布，当相干度降到一定值时，频谱图中的暗环数与拓扑荷数值 的对应关系被打乱，甚至不会出现暗环，也就无法判断出拓扑荷大小。衍射图 样和干涉图样也会随着相干度的降低而变得模糊不清，以致于不能通过对应的 图样去判断拓扑荷数值或符号。
鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种部分相干光 条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及系统，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种将待测对象从完全相干光 扩展到部分相干光，不仅能测量拓扑荷数值大小，还能判断出拓扑荷符号，且 现象直观明显，处理过程简单，不需要进行繁冗的数值求解，整个过程耗时极 短的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及系统。
为达到上述目的，本发明部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法 包括：
将部分相干光束转化为携带相位因子的待测试部分相干涡旋光束；
待测试部分相干涡旋光束两次分别经过空间光调制器调制后反射输出，一 次所述空间光调制器加载一个截取有效观测范围的光斑的截取框；另一次所述 空间光调制器加载一个截取有效观测范围的光斑的截取框并在截取框内添加一 个对待测试部分相干涡旋光束进行相位扰动的扰动点；
经空间光调制器反射输出的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和 进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别穿过多孔阵列板；
对穿过所述多孔阵列板的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进 行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别进行傅里叶变换；
在傅里叶平面处分别拍摄进行没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束 和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束的光强；
计算机对拍摄得到的光强进行实时反傅里叶变换、筛选阵列筛选以及反传 输处理，获得待测涡旋光束的拓扑荷分布结构。
具体地，所述相位扰动点为一个半径为80μm、相位赋值为-0.4π的圆形扰动 点。
进一步地，所述多孔阵列板为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透 光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组 成，所述参考孔位于多个二维阵列孔围成的中心区域内，且所述参考孔的右边 界距离其右侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δx，所述参考孔的下边界距离其下 侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δy，其中，Δx＝Δy≠a/2，a是多孔阵列板上的各 二维阵列孔间的间隔。
进一步地，所述多孔阵列板与空间光调制器之间的距离z≥aD/λ，其中，a 是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔，D是截取出的有效观测范围的光斑 尺寸，λ是光源的波长。
具体地，待测光场描述：
通过涡旋相位板引入相位因子exp(ilθ)后的待测光场描述为
WV(r1,r2)＝W0(s1,s2)exp(ilθ1)[exp(ilθ2)]*， (1)
其中，W0(s1,s2)代表光源处光场，si＝(x0i,y0i)(i＝1,2)表示光源处二维坐标矢量， ri＝(x1i,y1i)表示引入相位因子后的二维坐标矢量，θi＝arctan(y1i/x1i)；
传输过程：
待测光束传输到多孔阵列板处的场分布表示为：
W(ρ1,ρ2)＝∫∫WV(r1,r2)H(s1,ρ1)H(s2,ρ2)*ds1ds2， (2)
其中，H(si,ρi)为传输因子；随后，光束透射过多孔阵列板，该多孔阵列板 可表示为：
T(ρ)＝δ(ρ)+∑mnδ(ρ-ρmn)， (3)
其中，δ(ρ)表征参考孔，ρmn＝(ma+Δx,na+Δy)(m,n均为整数)表征多孔 阵列板上某一具体二维阵列孔的二维坐标，a表征各等距相邻二维阵列孔间的距 离，Δx和Δy分别表征阵列板中心点右下角邻近阵列二维阵列孔与参考孔之间的 横向偏移量和纵向偏移量；
光强处理及拓扑荷的测量
对经过多孔阵列板到达傅里叶平面的光场进行反傅里叶变换可得：
FT-1[I]＝W(0,0)δ(ρ)+∑mn∑pqW(ρmn，ρpq)δ[ρ-(ρmn-ρpq)]
+∑mnW(-ρmn，0)δ(ρ-ρmn)+∑pqW(0，ρpq)*δ(ρ+ρpq)， (4)
其中，p和q均为整数；随后，通过计算机数值模拟出一个筛选阵列以便从 反傅里叶变换后的光强中滤出W(-ρmn,0)或者W(0,ρmn)*，根据式(2)得第一次拍 摄结果：
W(ρmn,0)＝∫∫W0(s1，s2)exp(ilθ1)[exp(ilθ2)]*H(s1，ρmn)H(s2，0)*ds1ds2，(5)
对一次拍摄结果直接反传输得到的是∫W0(s1，s2)exp(ilθ1)[exp(ilθ2)]*H(s2，0)*，这并不是待测信息；为了得到待测信息，另外加载了一个扰动因子Cδ(s-s0)后 进行二次拍摄，其中，C表示一个复常数，s0表示扰动坐标；二次拍摄得到：
W'(ρmn,0)＝∫∫W0(s1，s2)[exp(ilθ1)+Cδ(s1-s0)][exp(ilθ2)+Cδ(s2-s0)]*
×H(s1,ρmn)H(s2,0)*ds1ds2， (6)
用式(6)减去式(5)得到：
ΔW(smn,0)＝CC*H(s0,ρmn)H(s0,0)*W0(s0,s0)
+CH(s0，ρmn)∫W0(s0，s2)[exp(ilθ2)]*H(s2，0)*ds2
+CH(s0,0)*∫W0(s1,s0)exp(ilθ1)H(s1,ρmn)ds1， (7)
(7)式中的前两项都是常数，所以此时进行反向传输时，就得到 W0(s1,s0)exp(ilθ1)，即拓扑荷结构分布，通过该拓扑荷结构分布可直接读取拓扑荷 符号和大小，即其相位的改变分别为逆时针方向和顺时针方向增加时，对应的 待测部分相干涡旋光束的拓扑荷符号分别为“+”和“-”，相位增加2lπ时，拓扑荷 大小为l，即部分相干涡旋光束的拓扑荷的符号和大小同时都得到了测量，且是 实时测量。
为达到上述目的，本发明部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系 统，包括：部分相干光束传输路径上依次设置的涡旋相位板、的空间光调制器、 多孔阵列板、傅里变换单元、光强拍摄装置以及电连接所述空间光调制器和光 强拍摄装置的计算机；
所述涡旋相位板，部分相干光束通过涡旋相位板转化为携带相位因子的待 测试部分相干涡旋光束；
所述空间光调制器，用于对待测试部分相干涡旋光束进行调制后反射输出 至多孔阵列板，所述空间光调制器根据计算机的控制加载一个截取有效观测范 围的光斑的截取框；或所述空间光调制器根据计算机的控制加载一个截取有效 观测范围的光斑的截取框并在截取框内添加一个对待测试部分相干涡旋光束进 行相位扰动的扰动点；
所述傅里变换单元，对穿过所述多孔阵列板的没有进行相位扰动的待测部 分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别进行傅里叶变 换；
所述光强拍摄装置，设置在傅里叶平面处，分别拍摄进行没有进行相位扰 动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束的光强；
所述计算机，用于对拍摄得到的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光 束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束的光强进行实时反傅里叶变换、筛 选阵列筛选以及反传输处理，获得待测涡旋光束的拓扑荷分布结构。
具体地，所述涡旋相位板为一块具有固定折射率的透明板，其中一端是规 则的平面结构，另一端是一个类似旋转台阶的不规则螺旋面结构，螺旋面的厚 度会随着方位角的增加而增加；产生的部分相干涡旋光束拓扑荷数值及符号由 所述涡旋相位板的螺旋面结构决定。
进一步地，所述多孔阵列板为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透 光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组 成，所述参考孔位于多个二维阵列孔围成的中心区域内，且所述参考孔的右边 界距离其右侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δx，所述参考孔的下边界距离其下 侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δy，其中，Δx＝Δy≠a/2，a是多孔阵列板上的各 二维阵列孔间的间隔；
所述多孔阵列板与空间光调制器之间的距离z≥aD/λ，其中，a是多孔阵 列板上的各二维阵列孔间的间隔，D是截取出的有效观测范围的光斑尺寸，λ是 光源的波长；
所述多孔阵列板为与计算机连接的透射式空间光调制器，通过计算机输出 控制指令控制透射式空间光调制器来加载多孔阵列板；或所述多孔阵列板为由 激光刻蚀制作而成的透光板。
进一步地，所述傅里变换单元为设置在多孔阵列和拍照装置之间的一傅里 叶透镜；将傅里叶透镜距多孔阵列板的距离小于等于1mm；或使多孔阵列板位 于傅里叶透镜的前焦面上。
进一步地，还包括分束镜，所述分束镜用于透射所述待测部分相干涡旋光 束，并反射经由所述空间光调制器调制后的待测部分相干涡旋光束。
借由上述方案，本发明部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及 系统至少具有以下优点：
本发明最终能够直接得到待测部分相干涡旋光束的拓扑荷结构分布，通过 结构分布图能够直观、快捷的判定出拓扑荷数值的符号和大小，处理过程简单， 不需要再做任何额外的计算和处理，整个过程耗时极短，几乎可以实现实时测 量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附 图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明提出的一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷测量装置的 结构示意图；1、光源；2、涡旋相位板；3、分束镜；4、反射式空间光调制器； 5、多孔阵列板；6、傅里叶透镜；7、电荷耦合器件；8、计算机；
图2是本发明所用的多孔阵列板(图1中的多孔阵列板5)的中心部分细节 图；
图3是计算机恢复时使用的筛选阵列的中心部分细节图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以 下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法，包括：
将部分相干光束转化为携带相位因子的待测试部分相干涡旋光束；
待测试部分相干涡旋光束两次分别经过空间光调制器调制后反射输出，一 次所述空间光调制器加载一个截取有效观测范围的光斑的截取框；另一次所述 空间光调制器加载一个截取有效观测范围的光斑的截取框并在截取框内添加一 个对待测试部分相干涡旋光束进行相位扰动的扰动点；本实施例中所述相位扰 动点为一个半径为80μm、相位赋值为-0.4π的圆形扰动点。
经空间光调制器反射输出的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和 进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别穿过多孔阵列板；
对穿过所述多孔阵列板的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进 行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别进行傅里叶变换；
在傅里叶平面处分别拍摄进行没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束 和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束的光强；
计算机对拍摄得到的光强进行实时反傅里叶变换、筛选阵列筛选以及反传 输处理，获得待测涡旋光束的拓扑荷分布结构。
本实施例部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法的工作原理介 绍：
(1)待测光场描述：
本发明所涉及到的光束都是部分相干光，对于部分相干光，一般用交叉谱 密度来描述光场。通过涡旋相位板2引入相位因子exp(ilθ)后的待测光场可简单 描述为
WV(r1,r2)＝W0(s1,s2)exp(ilθ1)[exp(ilθ2)]*， (1)
其中，W0(s1,s2)代表光源处光场，si＝(x0i,y0i)(i＝1,2)表示光源处二维坐标矢量，ri＝(x1i,y1i)表示引入相位因子后的二维坐标矢量，θi＝arctan(y1i/x1i)。
(2)传输过程：
待测光束传输到多孔阵列板处的场分布可表示为：
W(ρ1，ρ2)＝∫∫WV(r1,r2)H(s1，ρ1)H(s2，ρ2)*ds1ds2， (2)
其中，H(si,ρi)为传输因子。随后，光束透射过多孔阵列板，该多孔阵列板 可表示为：
T(ρ)＝δ(ρ)+∑mnδ(ρ-ρmn)， (3)
其中，δ(ρ)表征参考孔，ρmn＝(ma+Δx,na+Δy)(m,n均为整数)表征多孔 阵列板上某一具体二维阵列孔的二维坐标，a表征各等距相邻二维阵列孔间的距 离，Δx和Δy分别表征阵列板中心点右下角邻近阵列二维阵列孔与参考孔之间 的横向偏移量和纵向偏移量。
(3)光强处理及拓扑荷的测量
对经过多孔阵列板到达傅里叶平面的光场进行反傅里叶变换可得：
FT-1[I]＝W(0,0)δ(ρ)+∑mn∑pqW(ρmn，ρpq)δ[ρ-(ρmn-ρpq)]
+∑mnW(-ρmn，0)δ(ρ-ρmn)+∑pqW(0，ρpq)*δ(ρ+ρpq)， (4)
其中，p和q均为整数。随后，通过计算机数值模拟出一个筛选阵列以便从 反傅里叶变换后的光强中滤出W(-ρmn,0)或者W(0,ρmn)*，筛选阵列与多孔阵列板 的结构分布区别不大，前者较后者只是少了一个参考孔，其结构如图3所示。 根据式(2)可得第一次拍摄结果：
W(ρmn,0)＝∫∫W0(s1，s2)exp(ilθ1)[exp(ilθ2)]*H(s1，ρmn)H(s2，0)*ds1ds2，(5)
对第一次拍摄结果直接反传输得到的是 ∫W0(s1，s2)exp(ilθ1)[exp(ilθ2)]*H(s2，0)*ds1，这并不是待测信息。为了得到待测信息， 我们另外设计并加载了一个扰动因子Cδ(s-s0)后进行第二次拍摄，其中，C表 示一个复常数，s0表示扰动坐标。第二次拍摄得到：
W'(ρmn,0)＝∫∫W0(s1，s2)[exp(ilθ1)+Cδ(s1-s0)][exp(ilθ2)+Cδ(s2-s0)]*
×H(s1,ρmn)H(s2,0)*ds1ds2， (6)
用式(6)减去式(5)得到：
ΔW(smn,0)＝CC*H(s0,ρmn)H(s0,0)*W0(s0,s0)
+CH(s0，ρmn)∫W0(s0，s2)[exp(ilθ2)]*H(s2，0)*ds2
+CH(s0,0)*∫W0(s1,s0)exp(ilθ1)H(s1，ρmn)ds1， (7)
(7)式中的前两项都是常数，所以此时进行反向传输时，就可得到 W0(s1,s0)exp(ilθ1)，即拓扑荷结构分布，通过该拓扑荷结构分布可直接读取拓扑荷 符号和大小，即其相位的改变分别为逆时针方向和顺时针方向增加时，对应的 待测部分相干涡旋光束的拓扑荷符号分别为“+”和“-”，相位改变(增加)2lπ时， 拓扑荷大小(值)为l，即部分相干涡旋光束的拓扑荷的符号和大小同时都得到 了测量，且是实时测量。
实施例2
本实施例部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统，包括：
部分相干光束传输路径上依次设置的涡旋相位板、的空间光调制器、多孔 阵列板、傅里变换单元、光强拍摄装置以及电连接所述空间光调制器和光强拍 摄装置的计算机；
所述涡旋相位板，部分相干光束通过涡旋相位板转化为携带相位因子的待 测试部分相干涡旋光束；
所述空间光调制器，用于对待测试部分相干涡旋光束进行调制后反射输出 至多孔阵列板，所述空间光调制器根据计算机的控制加载一个截取有效观测范 围的光斑的截取框；或所述空间光调制器根据计算机的控制加载一个截取有效 观测范围的光斑的截取框并在截取框内添加一个对待测试部分相干涡旋光束进 行相位扰动的扰动点；
所述傅里变换单元，对穿过所述多孔阵列板的没有进行相位扰动的待测部 分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别进行傅里叶变 换；
所述光强拍摄装置，设置在傅里叶平面处，分别拍摄进行没有进行相位扰 动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束的光强；
所述计算机，用于对拍摄得到的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光 束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束的光强进行实时反傅里叶变换、筛 选阵列筛选以及反传输处理，获得待测涡旋光束的拓扑荷分布结构。
如图1所示，部分相干光源经涡旋相位板2产生待测部分相干涡旋光束， 该涡旋相位板具有可产生不同拓扑荷(1≤|l|≤8且l为整数)的螺旋空间结构。 部分相干涡旋光束经分束镜3(光强1:1的半透半反镜)透射到反射式纯相位空 间光调制器4(型号HOLOEYE-LETO，像素尺寸1920×1080，像素大小6.4μm) 上。空间光调制器上信息(有效截取光斑范围和扰动点)的加载由计算机8控 制，经信息加载后的出射光再经分束镜3反射到1m后的多孔阵列板5上。从多 孔阵列板5出来的光再经傅里叶透镜6(焦距为100mm，紧挨着多孔阵列板放 置)汇聚于电荷耦合元件7(透镜6的傅里叶平面处放置)上以便采集光强，采 集过程由计算机8控制。
1、多孔阵列板：利用激光刻蚀对基片整体不透光的板子进行打孔，制作一 个20mm×20mm的多孔阵列板，其中心位置附近放置一个边长为36μm的正方形 参考孔，其他二维阵列孔均匀等距排布，每个二维阵列孔边长均为45μm，各二 维阵列孔间距a＝225μm，参考孔相对于右下角方位邻近二维阵列孔分别从x和y 方向偏移了90μm(Δx＝Δy＝90μm)，如图2所示。值得注意的是Δx＝Δy≠a/2。实 验中，到达多孔阵列板的光束要严格对准参考孔。
2、采集光强：实验中共采集两次光强。第一次采集，空间光调制器仅加载 一个截取有效观测范围的光斑的观测面。第二次采集，为达到扰动效果，空间 光调制器会在第一次基础上在截取框内另添加一个半径为80μm、相位赋值为 -0.4π的圆形扰动点。两次拍摄采集过程中的唯一区别在于空间光调制器4上的 相位扰动加载与否。
3、计算得到拓扑荷结构分布并读取拓扑荷符号和大小：将两次拍摄得到的 光强信息输送到计算机8进行处理。首先对两次采集的光强分别进行反傅里叶 变换，再由筛选阵列筛选。随后将筛选后的结果相减，并将相减后的结果进行 反传输，即可得到待测部分相干涡旋光束的拓扑荷结构分布，根据拓扑荷结构 分布中相位的增加方向和改变量可直接读取拓扑荷符号和大小。
4、计算机处理时使用的筛选阵列：筛选阵列不是实际的物体，而是在计算 机处理时起到筛选信息作用的模拟阵列，其分布如图3，与多孔阵列板的唯一区 别在于缺少中心点附近的参考孔，其他参数一致。
整个过程包含2次光强采集和数据处理，处理过程简单，因此整个过程耗 时极短，几乎可以实现实时测量。
上述各实施例中，如图2所示，所述多孔阵列板为一其上设有多个矩形透 光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵 列孔和一个参考孔组成，所述参考孔位于多个二维阵列孔围成的中心区域内， 且所述参考孔的右边界距离其右侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δx，所述参考 孔的下边界距离其下侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δy，其中，Δx＝Δy≠a/2，a 是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔。所述多孔阵列板与空间光调制器之 间的距离z≥aD/λ，其中，a是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔，D是 截取出的有效观测范围的光斑尺寸，λ是光源的波长。
上述各实施例中，所述傅里变换单元为设置在多孔阵列和拍照装置之间的 一傅里叶透镜；将傅里叶透镜距多孔阵列板的距离小于等于1mm；或使多孔阵 列板位于傅里叶透镜的前焦面上。
上述各实施例中，还包括分束镜，所述分束镜用于透射所述待测部分相干 涡旋光束，并反射经由所述空间光调制器调制后的待测部分相干涡旋光束。
本发明所述的方法的实施系统包括但不限于本发明所述的系统，同样本发 明所述的系统的实施系统包括但不限于本发明所述的方法。上述实施例中的取 值取值还可以为其他取值，在此不再赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出， 对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还 可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的方法，其特征在于，包括：
将部分相干光束转化为携带相位因子的待测试部分相干涡旋光束；
待测试部分相干涡旋光束两次分别经过空间光调制器调制后反射输出，一次所述空间光调制器加载一个截取有效观测范围的光斑的截取框；另一次所述空间光调制器加载一个截取有效观测范围的光斑的截取框并在截取框内添加一个对待测试部分相干涡旋光束进行相位扰动的扰动点；
经空间光调制器反射输出的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别穿过多孔阵列板；
对穿过所述多孔阵列板的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别进行傅里叶变换；
在傅里叶平面处分别拍摄进行没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束的光强；
计算机对拍摄得到的光强进行实时反傅里叶变换、筛选阵列筛选以及反传输处理，获得待测涡旋光束的拓扑荷分布结构。
2.根据权利要求1所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的方法，其特征在于，所述相位扰动点为一个半径为80μm、相位赋值为-0.4π的圆形扰动点。
3.根据权利要求1所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的方法，其特征在于，所述多孔阵列板为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔位于多个二维阵列孔围成的中心区域内，且所述参考孔的右边界距离其右侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δx，所述参考孔的下边界距离其下侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δy，其中，Δx＝Δy≠a/2，a是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔。
4.根据权利要求3所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的方法，其特征在于，所述多孔阵列板与空间光调制器之间的距离z≥aD/λ，其中，a是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔，D是截取出的有效观测范围的光斑尺寸，λ是光源的波长。
5.根据权利要求1所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的方法，其特征在于，待测光场描述：
通过涡旋相位板引入相位因子exp(ilθ)后的待测光场描述为
WV(r1,r2)＝W0(s1,s2)exp(ilθ1)[exp(ilθ2)]*， (1)
其中，W0(s1,s2)代表光源处光场，si＝(x0i,y0i)(i＝1,2)表示光源处二维坐标矢量，ri＝(x1i,y1i)表示引入相位因子后的二维坐标矢量，θi＝arctan(y1i/x1i)；
传输过程：
待测光束传输到多孔阵列板处的场分布表示为：
W(ρ1,ρ2)＝∫∫WV(r1,r2)H(s1,ρ1)H(s2,ρ2)*ds1ds2， (2)
其中，H(si,ρi)为传输因子；随后，光束透射过多孔阵列板，该多孔阵列板可表示为：
T(ρ)＝δ(ρ)+∑mnδ(ρ-ρmn)， (3)
其中，δ(ρ)表征参考孔，ρmn＝(ma+Δx,na+Δy)(m,n均为整数)表征多孔阵列板上某一具体二维阵列孔的二维坐标，a表征各等距相邻二维阵列孔间的距离，Δx和Δy分别表征阵列板中心点右下角邻近阵列二维阵列孔与参考孔之间的横向偏移量和纵向偏移量；
光强处理及拓扑荷的测量
对经过多孔阵列板到达傅里叶平面的光场进行反傅里叶变换可得：
FT-1[I]＝W(0,0)δ(ρ)+∑mn∑pqW(ρmn,ρpq)δ[ρ-(ρmn-ρpq)]
+∑mnW(-ρmn,0)δ(ρ-ρmn)+∑pqW(0,ρpq)*δ(ρ+ρpq)， (4)
其中，p和q均为整数；随后，通过计算机数值模拟出一个筛选阵列以便从反傅里叶变换后的光强中滤出W(-ρmn,0)或者W(0,ρmn)*，根据式(2)得第一次拍摄结果：
W(ρmn,0)＝∫∫W0(s1,s2)exp(ilθ1)[exp(ilθ2)]*H(s1,ρmn)H(s2,0)*ds1ds2， (5)
对一次拍摄结果直接反传输得到的是∫W0(s1,s2)exp(ilθ1)[exp(ilθ2)]*H(s2,0)*，这并不是待测信息；为了得到待测信息，另外加载了一个扰动因子Cδ(s-s0)后进行二次拍摄，其中，C表示一个复常数，s0表示扰动坐标；二次拍摄得到：
W'(ρmn,0)＝∫∫W0(s1,s2)[exp(ilθ1)+Cδ(s1-s0)][exp(ilθ2)+Cδ(s2-s0)]*
×H(s1,ρmn)H(s2,0)*ds1ds2， (6)
用式(6)减去式(5)得到：
ΔW(smn,0)＝CC*H(s0,ρmn)H(s0,0)*W0(s0,s0)
+CH(s0,ρmn)∫W0(s0,s2)[exp(ilθ2)]*H(s2,0)*ds2
+CH(s0,0)*∫W0(s1,s0)exp(ilθ1)H(s1,ρmn)ds1， (7)
(7)式中的前两项都是常数，所以此时进行反向传输时，就得到W0(s1,s0)exp(ilθ1)，即拓扑荷结构分布，通过该拓扑荷结构分布可直接读取拓扑荷符号和大小，即其相位的改变分别为逆时针方向和顺时针方向增加时，对应的待测部分相干涡旋光束的拓扑荷符号分别为“+”和“-”，相位增加2lπ时，拓扑荷大小为l，即部分相干涡旋光束的拓扑荷的符号和大小同时都得到了测量，且是实时测量。
6.一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，包括：
部分相干光束传输路径上依次设置的涡旋相位板、的空间光调制器、多孔阵列板、傅里变换单元、光强拍摄装置以及电连接所述空间光调制器和光强拍摄装置的计算机；
所述涡旋相位板，部分相干光束通过涡旋相位板转化为携带相位因子的待测试部分相干涡旋光束；
所述空间光调制器，用于对待测试部分相干涡旋光束进行调制后反射输出至多孔阵列板，所述空间光调制器根据计算机的控制加载一个截取有效观测范围的光斑的截取框；或所述空间光调制器根据计算机的控制加载一个截取有效观测范围的光斑的截取框并在截取框内添加一个对待测试部分相干涡旋光束进行相位扰动的扰动点；
所述傅里变换单元，对穿过所述多孔阵列板的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别进行傅里叶变换；
所述光强拍摄装置，设置在傅里叶平面处，分别拍摄进行没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束的光强；
所述计算机，用于对拍摄得到的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束的光强进行实时反傅里叶变换、筛选阵列筛选以及反传输处理，获得待测涡旋光束的拓扑荷分布结构。
7.根据权利要求6所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，所述涡旋相位板为一块具有固定折射率的透明板，其中一端是规则的平面结构，另一端是一个类似旋转台阶的不规则螺旋面结构，螺旋面的厚度会随着方位角的增加而增加；产生的部分相干涡旋光束拓扑荷数值及符号由所述涡旋相位板的螺旋面结构决定。
8.根据权利要求6所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，所述多孔阵列板为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔位于多个二维阵列孔围成的中心区域内，且所述参考孔的右边界距离其右侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δx，所述参考孔的下边界距离其下侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δy，其中，Δx＝Δy≠a/2，a是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔；
所述多孔阵列板与空间光调制器之间的距离z≥aD/λ，其中，a是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔，D是截取出的有效观测范围的光斑尺寸，λ是光源的波长；
所述多孔阵列板为与计算机连接的透射式空间光调制器，通过计算机输出控制指令控制透射式空间光调制器来加载多孔阵列板；或所述多孔阵列板为由激光刻蚀制作而成的透光板。
9.根据权利要求6所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，所述傅里变换单元为设置在多孔阵列和拍照装置之间的一傅里叶透镜；将傅里叶透镜距多孔阵列板的距离小于等于1mm；或使多孔阵列板位于傅里叶透镜的前焦面上。
10.根据权利要求7所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，还包括分束镜，所述分束镜用于透射所述待测部分相干涡旋光束，并反射经由所述空间光调制器调制后的待测部分相干涡旋光束。
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