CN109029742B - 一种涡旋激光的检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡旋激光的检测装置及方法，检测装置包括平凹透镜和图像传感器；将平凹透镜的平面部分面向待测涡旋光放置，涡旋光束首先入射到透镜的平面，部分反射出去；部分折射的待测光则入射到透镜的凹面，产生第二次部分反射。通过调节待测光束在平凹透镜的入射角和入射位置，使得两次部分反射的光束在空间上产生重叠；最后将图像传感器放于光斑重叠处，用于测量干涉图案。由于经过凹面部分反射发散的光束可以近似看成倾斜的平面光，因此与经平面反射的涡旋光束产生叉形的干涉图案，通过于分析可以进一步从图案中识别涡旋激光并判定其拓扑荷数。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及一种涡旋激光的检测装置及方法。
背景技术
涡旋光束作为一种具备奇特相位分布结构的光束，已经在涉及超显微成像、光操控、高容量的光通信、量子信息学与非线性光学等各种领域中得到了广泛的应用。该类型光束的相位分布在与传播方向垂直的截面上通常呈现涡旋型，同时在光强分布上则一边显示出具备中心无光腔分布的环形光束。与普通的高斯光束相比，除了相位和光强分布上的特点外，涡旋光束还具备特殊的轨道角动量。目前，该类型光束在光通信方面有着特别的应用。比如，涡旋光的轨道角动量已被作为信息载体，用于有效提高空间或者光纤中的信号通道，实现高容量的激光通信系统。而具备窄线宽特性的涡旋光可以进一步提高激光的相干性，有利于实现高带宽的激光通信。涡旋光束的产生方法包括使用光学转换元件和直接腔内产生两种方式。光学转换元件有螺旋相位板、计算全息板、空间光调制器、柱透镜对等模式转换件，该转换件也可用于产生涡旋光的激光谐振腔内部。而另一种直接产生涡旋激光的方法，则采用环形光泵浦激光腔、在激光腔内部添加孔缺陷元件、利用光热效应和偏轴泵浦方式。
涡旋激光在与传播方向垂直的横截面处的相位分布可以用exp(ilθ)来表示，其中l为拓扑荷数，θ为方位角。利用涡旋激光的奇异相位分布，涡旋光束的探测方法一般可以采用干涉探测方法，比如基于叉形干涉图、涡旋形干涉图和旋转涡旋光干涉图等方法。目前，这些干涉测量方法一般使用较为复杂的光束重合光路，比如利用分光片和反射镜进行光束的重合优化。目前也有新型的监测方法，但是需要使用到工艺要求极高的微纳米级别新型材料表面进行探测。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种涡旋激光的检测装置及方法，旨在解决现有技术中由于需要使用到多个光学元件(如多个反射镜和分光元件)进行光束叠加干涉时所导致操作不便、体积大的问题。
本发明提供了一种涡旋激光的检测装置，包括：平凹透镜和图像传感器；当待测涡旋光入射至所述平凹透镜的平面时，经所述平凹透镜的平面第一次折射后的折射光入射至所述平凹透镜的凹面，经平凹透镜的凹面反射后的反射光再经过所述平凹透镜的平面第二次折射后输出；所述图像传感器设置在待测涡旋光入射至所述平凹透镜的平面时的反射光与第二次折射后输出的折射光相交的位置，用于采集干涉图案。
更进一步地，所述平凹透镜为无镀膜的平凹透镜。
更进一步地，平凹透镜为镀膜的平凹透镜，镀膜后平凹透镜的平面的反射率小于等于60％，且平凹透镜的凹面的反射率为10％～100％。
更进一步地，经平面反射与经凹面反射出来的两束光出现夹角，且在图像传感器处产生叠加；因此，一般要求当入射角度在30-60度时，入射位置应当位于平凹透镜靠近入射光束的一半平面上。
本发明还提供了一种涡旋激光的检测方法，包括下述步骤：
S1：入射的待测涡旋光经所述平凹透镜的平面反射后形成第一光束，经所述平凹透镜的平面第一次折射后的折射光入射至所述平凹透镜的凹面，经所述平凹透镜的凹面反射后的反射光再经过所述平凹透镜的平面第二次折射后输出第二光束；
S2：在所述第一光束与所述第二光束的交叠处采集干涉图案；
S3：根据所述干涉图案获得所述待测涡旋激光的拓扑荷数的正负值。
更进一步地，当待测涡旋光的入射角为30°～60°时，所述待测涡旋光的入射位置位于平凹透镜靠近入射光束的一半平面上。
其中，根据干涉图案获得待测涡旋激光的拓扑荷数的正负值的方法具体可以为：沿着光线传播的方向观测，如果经凹面(从玻璃到空气角度看为凸面)反射出的光束由右往左与经平面反射的光束相交时，当观测到向上的叉形图则拓扑荷数为正，当观测到向下的叉形图时拓扑荷数为负；如果经凹面反射的光束由左往右与经平面反射的光束相交时，则判断的依据则与上述相反。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于仅仅需要使用单个光学元件便能完成涡旋光的干涉检测，能够取得进一步减少不必要的额外辅助元件且具备紧凑稳定、易使用的有益效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的涡旋光检测方法的原理示意图。
图2是本发明实施例提供的干涉位置处的涡旋光束的叠加示意图。
图3是本发明实施例提供的利用本发明检测出的+1阶窄线宽涡旋激光的实验干涉图(左)与理论干涉图(右)。
图4是本发明实施例提供的利用本发明检测出的-1阶窄线宽涡旋激光的实验干涉图(左)与理论干涉图(右)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过探测涡旋光束拓扑荷数来实现涡旋激光的检测，是一种利用叉形干涉图识别涡旋激光的简易方法；该方法克服了现有探测技术在操作上存在的复杂性，提供一种能够仅用单个常见光学元件识别涡旋激光并检测其拓扑荷数的简单方法，该方法具有操作简单、稳定性高、实用方便的特点，在涡旋光研究与应用领域具有很好使用价值。
为了实现上述目的，本发明使用单个平凹透镜，通过机械镜架调节凹透镜角度和位置，使得待探测涡旋光在其两个表面产生的两束部分反射光在图像传感器所在位置产生叠加干涉，利用凹面反射产生的散射效应，使得该反射光束在叠加时可以被近似地看成一束倾斜的平面参考光束。如果待测光束为普通高斯光束，则在图像传感器上只能观测到普通的干涉图案；而如果待测光束是涡旋光束，则可以看到叉形干涉图。通过理论上对涡旋光与倾斜平面光的干涉，可以进一步确定待测涡旋光拓扑荷数的正负值。
现有涡旋光束的探测方式通常需要使用到多个光学元件，比如两个分光元件和两个反射镜构建类似于Mach-Zehnder的干涉仪，因而光路不具备简易性、体积重量相对比较大。本发明针对这个技术问题，提出在不使用任何多余光学元件的情况下，只用单块平凹透镜就直接产生用于探测涡旋光的清晰干涉图。该方法具有简单、易用且结构紧凑稳定的特点，能够利用快速检测涡旋光束的应用中。
现在参考附图描述本发明的具体详细实施方式。本发明实施例提供的涡旋激光的检测装置的结构如图1所示，检测装置包括：平凹透镜1和图像传感器2，平凹透镜1需要摆放在图像传感器2之前，相互间距离取决于经平凹透镜前后表面反射光射的空间重合位置。以50mm焦距的平凹透镜为例，可以通过对平凹透镜的角度和位置微调，将两束反射光的叠加位置调至距离平凹透镜300mm附近的位置，经凹面(对从玻璃到空气入射光而言为凸面)反射发散传播至此处的参考光束则可以近似看成平面波，从而经平面反射的涡旋光与平面波参考叠加所产生的干涉将呈现叉形图案。此时，图像传感器2所起的作用为通过光电转换观察和记录叠加光强的干涉图案。
其中，平凹透镜1可以选择无镀膜的平凹透镜，也可以选择不影响光束在两个平面反射的镀膜平凹透镜。对于无镀膜的平凹透镜，根据光在不同介质传播时菲涅耳反射方程，可以得出即便对于无镀膜的普通玻璃，反射率一般也能达到3％以上，对于功率在mW量级的涡旋光束，结合图像传感器2能够清楚地辨认其涡旋结构；而对于后者，以在平面和凹面处有50％反射率的镀膜透镜为例，则经平面和凹面反射的光强相比无镀膜的透镜而言能够有较大的提高，可以适用于微弱涡旋光的检测。
本发明实施例提供的涡旋激光的检测方法包括如下步骤：首先，我们将待测涡旋光束3射到如图1所示的平凹透镜1上，光束将在平凹透镜的第一个面(平面)上产生部分反射形成光束4，另一部分光束5折射到平凹透镜的第二个面(凹面)上，由于是从玻璃入射到空气，因此可看成入射到凸面的反射，此时部分反射的光束6将经过折射成为光束7，随着传播的距离而逐渐发散。
其次，我们通过调整待测光束在平凹透镜1上的入射角度和入射位置，可以使得平面反射光束5和凹面反射(可视为玻璃-空气为界面的凸面反射)而出射的光束7在空间上产生叠加，最后将图像传感器2放置于叠加的位置用于探测光的干涉图案。具体光束叠加的调节原理如图1所示，假设涡旋光入射到一个平面玻璃板上(第二面与第一面平行)，则经两个面反射到空气中的光束具有相同的出射角，因此不可能产生空间上的交叉叠加。而对于如图1摆放的凹透镜而言则可以产生交叉叠加。以45°的入射角为例，经第一面反射的出射光束4与与平面垂直的法线的角度A亦为45°，而通过折射进一步在第二面反射的出射光束7相对于法线的出射角B则可以小于45°，该角度B能通过控制移动反射点凹面透镜1的位置进行调节。因由于经过第二个面反射而出射的光束7随着传播距离而不断发散，因此当与第一面反射的光束5叠加时可以近似地看为平面光束。图2所示为实验中利用图像传感器获取的一个双光束叠加示意图，其中光斑401为反射光4在叠加处图像传感器2的成像，而光斑701为第二束反射光7在传感器2上的成像。当我们把光束叠加位置进一步调节到光束7更加发散的位置时，叠加光强可以占图像传感器2感光芯片的一半以上时，可以直接从图像传感器2上直接观测到用于检测涡旋光的叉形干涉图。图3和图4左图为试验中观察到的以LG01 ±涡旋光束为例的实验结果。
从理论上进一步分析以Laguerre-Gaussian拉盖尔高斯01阶LG01 ±涡旋光束为例子，其电场可以表述为：
其中，r、Φ、z分别为柱坐标下的径向位移、径向角度和轴向位移，k为波矢，zR＝kω0 2/2为瑞利长度，ω(z)＝ω(0)(1+(z/zR))0.5为z处的光束半径，ω(0)是束腰半径，L0 1可以通过缔合拉盖尔多项式计算出来。而倾斜的平面波的电场可以简单地表示成Eplane＝E0exp(ikx)，其中k表明在两束光重合面商的空间光矢。因此两束光叠加时的光强可以写成|E0，±1+Eplane|2，利用matlab可以通过合成光强的式子简单地计算干涉图案。如图3和图4的右图所示，该计算得到的理论干涉图显示为叉形图，与作图实验上获得的结果相符合。因而，可以用于检测涡旋光束。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种涡旋激光的检测装置，其特征在于，包括：平凹透镜(1)和图像传感器(2)；
当待测涡旋光入射至所述平凹透镜(1)的平面时，经所述平凹透镜(1)的平面第一次折射后的折射光入射至所述平凹透镜(1)的凹面，经所述平凹透镜(1)的凹面反射后的反射光再经过所述平凹透镜(1)的平面第二次折射后输出；其中，经所述凹面反射而出射的光束随着传播距离不断发散，当其与所述平凹透镜(1)的平面反射的光束叠加时能近似看成平面波；
所述图像传感器(2)设置在待测涡旋光入射至所述平凹透镜(1)的平面时的反射光与第二次折射后输出的折射光相交的位置，用于采集干涉图案。
2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述平凹透镜(1)为无镀膜的平凹透镜。
3.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述平凹透镜(1)为镀膜的平凹透镜，镀膜后平凹透镜的平面的反射率小于等于60％，且平凹透镜的凹面的反射率为10％～100％。
4.如权利要求1-3任一项所述的检测装置，其特征在于，当待测涡旋光的入射角为30°～60°时，所述待测涡旋光的入射位置位于平凹透镜(1)靠近入射光束的一半平面上。
5.一种涡旋激光的检测方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：入射的待测涡旋光经平凹透镜的平面反射后形成第一光束，经所述平凹透镜的平面第一次折射后的折射光入射至所述平凹透镜的凹面，经所述平凹透镜的凹面反射后的反射光再经过所述平凹透镜的平面第二次折射后输出第二光束；其中，经所述凹面反射而出射的光束随着传播距离不断发散，当其与所述平凹透镜(1)的平面反射的光束叠加时能近似看成平面波；
S2：在所述第一光束与所述第二光束的交叠处采集干涉图案；
S3：根据所述干涉图案获得所述待测涡旋光的拓扑荷数的正负值。
6.如权利要求5所述的检测方法，其特征在于，当待测涡旋光的入射角为30°～60°时，所述待测涡旋光的入射位置位于平凹透镜(1)靠近入射光束的一半平面上。
7.如权利要求5或6所述的检测方法，其特征在于，根据干涉图案获得待测涡旋光的拓扑荷数的正负值的方法具体为：
当经凹面反射出的光束由右往左与经平面反射的光束相交时，若为向上的叉形图则拓扑荷数为正，若为向下的叉形图时拓扑荷数为负；如果经凹面反射的光束由左往右与经平面反射的光束相交时，则判断的依据则与上述相反。
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