CN109029745A - 双耳圆形衍射光阑及涡旋光拓扑荷数检测系统与检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双耳圆形衍射光阑及涡旋光拓扑荷数检测系统与检测方法，其中，双耳圆形衍射孔包括双耳圆形衍射孔，所述双耳圆形衍射孔主要由双纽线、圆心均位于所述双纽线的对称中心的第一圆弧和第二圆弧构成；所述第一圆弧连接于所述双纽线的上侧，所述第二圆弧连接于所述双纽线的下侧，所述双纽线的横向长度与所述第一圆弧的半径之比为(2.5‑3.2)：1；所述双耳圆形衍射孔左右对称。本发明通过单个孔径衍射，即可完成对涡旋光拓扑荷数的测量，从而避免了多孔径中孔的排布精度对测量精度的影响；并且在调节涡旋光束与双耳圆形孔径共轴时，即使有一定偏差，衍射光强分布仍能达到检测涡旋光拓扑荷数的目的，因此本技术方案对检测操作误差具有一定的容忍度。
Description
技术领域
本发明涉及信息光学领域，尤其涉及一种双耳圆形衍射光阑及涡旋光拓扑荷数检测系统与检测方法。
背景技术
涡旋光束是一种携带有轨道角动量的结构化光束，它具有特殊的螺旋波前结构和固定的拓扑荷数。这种具有螺旋相位结构的光束聚焦时会形成具有轨道角动量的环，而不是普通的点光斑，它主要是由相位奇点引起的。1992年，Allen等人指出涡旋光束的螺旋型相位分布可用exp(ilθ)相位函数来描述，每一光子上携带有的轨道角动量。其中l为涡旋光的拓扑荷数θ是方位角，并且是普朗克常数除以2π。也就是说，一束单色涡旋光束的每一光子理论上可同时携带有轨道角动量(OAM)和自旋角动量(SAM)，它们分别影响着涡旋光的偏振和空间分布。近年来研究表明，由于涡旋光束具有微/纳米粒子的操控能力，在光镊、光俘获和量子信息技术研究等领域具有巨大的应用价值。特别是在量子信息技术研究领域，由于轨道角动量模式之间的无限正交性的存在，利用轨道角动量模式将能有效实现信息的传递，很大程度上扩大传输信息的容量。在涡旋光束研究中，轨道角动量作为描述涡旋光束特性的一个重要参数，如何高效测定轨道角动量的大小已成为重中之重，而轨道角动量的大小就是通过涡旋光束的拓扑荷数l来体现的，拓扑荷数l体现了光束绕奇点一周的相位变化规律。因此，探索一种更为高效的方法来检测涡旋光束的拓扑荷数具有很重要的研究意义。
近些年来，在拓扑荷数测量研究中，科研工作者已经发现了几种比较有效的测量方法。2008年，Gregarious C.G Berkhout和Marco W.Beijersbergen等人提出一种多孔方法测量涡旋光束的轨道角动量。2009年王涛等人基于菲涅尔衍射积分理论，对拉盖尔高斯光束的单缝衍射特性进行了研究。同年国承山、卢磊磊等人提出了环带傅里叶变换法测量涡旋光束的拓扑荷数。2012年杨元杰等人利用交叉谱密度函数法测量部分相干涡旋光的轨道角动量。
上述的测量方法虽均能有效测定涡旋光的拓扑荷数，但在现实应用中却存在一定的挑战，比如在多孔测量法中，拓扑荷数的大小往往与多孔的尺寸和排布息息相关，孔径的排布严重影响其测量精度，环带傅里叶测量法和交叉谱密度函数法虽能较为准确的测量拓扑荷数，但其实验系统结构较为复杂，不适合实际应用。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双耳圆形衍射光阑及涡旋光拓扑荷数检测系统与检测方法，旨在解决现有信息光学领域的测量涡旋光的拓扑荷数的方法精度不够以及系统结构较为复杂的问题。
本发明的技术方案如下：
一种双耳圆形衍射光阑，包括双耳圆形衍射孔，所述双耳圆形衍射孔主要由双纽线、圆心均位于所述双纽线的对称中心的第一圆弧和第二圆弧构成；
其中，所述第一圆弧连接于所述双纽线的上侧，所述第二圆弧连接于所述双纽线的下侧，所述双纽线的横向长度与所述第一圆弧的半径之比为(2.5-3.2)：1；所述双耳圆形衍射孔左右对称。
所述的双耳圆形衍射光阑，其中，所述第二圆弧的半径不等于所述第一圆弧的半径，形成上下非对称结构。
所述的双耳圆形衍射光阑，其中，所述双纽线的横向长度与所述第一圆弧的半径之比为31：11。
所述的双耳圆形衍射光阑，其中，所述第一圆弧的半径为0.55mm，所述第二圆弧的半径为0.605mm，所述双纽线的横向长为1.55mm。
一种涡旋光拓扑荷数检测系统，按照光束传播路径，依次包括涡旋光产生模块、光阑衍射模块和光强检测模块，所述光阑衍射模块中设置有如上所述的双耳圆形衍射光阑，用于衍射入射到所述光阑衍射模块上的涡旋光束。
所述的涡旋光拓扑荷数检测系统，其中，按照光束传播路径，所述涡旋光生成模块依次包括：用于产生高斯光束的光源、用于改变光偏振方向的偏振片、用于改变光的相位的涡旋光产生装置和用于筛选涡旋光的光阑，其中，所述涡旋光产生装置为反射式相位型空间光调制器、螺旋相位板或者超表面。
所述的涡旋光拓扑荷数检测系统，其中，按照光束传播路径，所述光阑衍射模块依次包括：用于发生衍射的衍射屏、用于调节光偏振的偏振镜和用于产生傅里叶变换的傅里叶变换单元，其中，所述衍射屏上加载有所述双耳圆形衍射光阑。
所述的涡旋光拓扑荷数检测系统，其中，按照光束传播路径，所述光强检测模块依次包括：用于扩束的光束放大系统和用于记录的光强拍摄装置，其中，所述光束放大系统为两个共焦的凸透镜组合或扩束镜。
所述的涡旋光拓扑荷数检测系统，其中，两个共焦的凸透镜的焦距分别为25mm和75mm，所述光强拍摄装置为CCD探测器。
一种涡旋光拓扑荷数检测方法，采用如上所述的双耳圆形衍射光阑对涡旋光进行衍射，得到涡旋光的远场衍射强度分布，然后对所述远场衍射强度分布进行探测。
有益效果：本发明提供了一种如上所述的双耳圆形衍射光阑，涡旋光经过双耳圆形孔后产生特殊的光强分布，实现对涡旋光束拓扑荷数的检测。本发明通过单个孔径衍射，即可完成对涡旋光拓扑荷数的测量，从而避免了多孔径中孔的排布精度对测量精度的影响；并且在调节涡旋光束与双耳圆形孔径共轴时，即使有一定偏差，衍射光强分布仍能达到检测涡旋光拓扑荷数的目的，当光束中心与孔径中心重合时，现象最为清晰明显，因此本技术方案允许涡旋光束与双耳圆形孔径非严格对准，对检测操作误差具有一定的容忍度。
附图说明
图1为本发明的双耳圆形衍射孔的示意图。
图2为本发明的双耳圆形衍射孔的最终外形图。
图3为本发明的涡旋光拓扑荷数检测系统的模块结构示意图。
图4为本发明的涡旋光拓扑荷数检测系统的具体结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种双耳圆形衍射光阑及涡旋光拓扑荷数检测系统与检测方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。
需要说明的是，本发明所述的“上侧”、“下侧”、“左”、“右”等方位术语，均是以图1为参考，具体地随着图形摆放角度的不同，本发明的技术方案的描述会有所不同。
本发明提供的双耳圆形衍射光阑的结构如图1所示，包括双耳圆形衍射孔，所述双耳圆形衍射孔主要由双纽线1、圆心均位于所述双纽线的对称中心O的第一圆弧2和第二圆弧3构成。
其中，所述第一圆弧2连接于所述双纽线的上侧，所述第二圆弧3连接于所述双纽线1的下侧，所述双纽线1的横向长度(2a)与所述第一圆弧2的半径Ra之比为(2.5-3.2)：1；所述双耳圆形衍射孔左右对称，最终形成的双耳圆形衍射孔的形状如图2所示。
优选的，所述第二圆弧3的半径Rb不等于所述第一圆弧2的半径Ra，可以让Rb略大于或略小于Ra，形成上下非对称结构，使衍射图案可以区分涡旋光束拓扑荷数的正负。
优选的，所述双纽线的横向长度与所述第一圆弧的半径之比为31：11，可以获得更好的衍射效果。较优的一种双耳圆形衍射孔参数为：所述第一圆弧的半径为0.55mm，所述第二圆弧的半径为0.605mm，所述双纽线的横向长为1.55mm。
本发明的双耳圆形衍射光阑，涡旋光经过所述双耳圆形衍射光阑后产生特殊的光强分布，实现对涡旋光束拓扑荷数的检测。本发明通过单个孔径衍射，即可完成对涡旋光拓扑荷数的测量，从而避免了多孔径中孔的排布精度对测量精度的影响；并且在调节涡旋光束与双耳圆形孔径共轴时，即使有一定偏差，衍射光强分布仍能达到检测涡旋光拓扑荷数的目的，当光束中心与孔径中心重合时，现象最为清晰明显，因此本技术方案允许涡旋光束与双耳圆形孔径非严格对准，对检测操作误差具有一定的容忍度。
本发明还提供了一种涡旋光拓扑荷数检测系统的较佳实施例，主要应用在信息光学领域，如图3所示，按照光束传播路径，依次包括涡旋光产生模块4(用于不同拓扑荷值涡旋光的生成)、光阑衍射模块5(用于对入射的具有不同拓扑荷的涡旋光进行衍射并通过傅里叶变换形成特殊的光强分布)和光强检测模块6(用于对衍射光强分布进行探测)，所述光阑衍射模块中设置有如上所述的双耳圆形衍射光阑，用于衍射入射到所述光阑衍射模块上的涡旋光束。本系统中，只需通过光束经过孔径衍射后的光强分布，即可判断涡旋光束的拓扑荷数，所用到的光学元件较少，且测量结果直观易读，便于实际操作。
具体地，如图4所示，按照光束传播路径，所述涡旋光生成模块4依次包括：用于产生高斯光束的光源41、用于改变光偏振方向的偏振片42、用于改变光的相位的涡旋光产生装置43和用于筛选涡旋光的光阑44，其中，所述涡旋光产生装置43可以为反射式相位型空间光调制器、螺旋相位板或者超表面。光源可以是波长为632.5nm的He-Ne激光器，偏振片为二分之一波片。
所述光阑衍射模块5依次包括：用于发生衍射的衍射屏51、用于调节光偏振的偏振镜52和用于产生傅里叶变换的傅里叶变换单元53，其中，所述衍射屏上加载有所述双耳圆形衍射光阑。具体地点，所述偏振镜可以为格兰棱镜，所述傅里叶变换单元可以为焦距为50mm的凸透镜。
所述光强检测模块6包括：用于扩束的光束放大系统61和用于记录的光强拍摄装置62，其中，所述光束放大系统为两个共焦的凸透镜组合或扩束镜。具体的，两个共焦的凸透镜的焦距可以分别设置为25mm和75mm，所述光强拍摄装置可以为CCD探测器。
本发明还提供了一种涡旋光拓扑荷数检测方法，采用如上所述的双耳圆形衍射光阑对涡旋光进行衍射，得到涡旋光的远场衍射强度分布，然后对所述远场衍射强度分布进行探测。本方法通过单个孔径衍射，即可完成对涡旋光拓扑荷数的测量，并对检测操作误差具有一定的容忍度。
下面结合图4对本发明的原理进一步详细说明。
光源41出射的高斯光，经过偏振片42后产生水平偏振光入射到涡旋光产生装置43，产生多级涡旋光，然后经过光阑44筛选出零级涡旋光。此时，出射的涡旋光束的可近似表示为：
其中代表拉盖尔-高斯(LG)涡旋光束，l为拓扑荷大小，p为径向参数，r为径向分量，φ为相位，w0为束腰半径，w(z)为z处的束腰大小，为缔合拉盖尔多项式，zr为瑞利距离，z为光束传输距离，k为波矢，相位因子exp(-ilφ)表示该光束具有螺旋结构，i为虚数单位。
产生出的涡旋光直入射到衍射屏51中发生衍射现象，衍射屏中设置有双耳圆形衍射光阑，双耳圆形衍射光阑的双耳圆形衍射孔由双纽线1、圆心均位于所述双纽线的对称中心O的第一圆弧2和第二圆弧3构成。双纽线的振幅透过率函数T(x,y)以及两个圆弧的振幅透过率函数M(x,y)可分别表示为：
其中x,y代表函数的横纵坐标，a为双纽线横向长度的一半，见图1的标注，cric表示圆形函数，Ra第一圆弧的半径，Rb代表第二圆弧的半径，叠加后整体振幅透过率函数可表示为：
上式中，t代表双耳圆形孔振幅透过率函数，ξ和η为该函数的横纵坐标。将双耳圆形孔振幅透过率函数t(ξ,η)代入远场衍射强度公式，即可得到涡旋光通过双耳圆形孔径后的远场衍射强度分布，可表示为：
上式中，I代表衍射强度分布函数，x和y是该函数的横纵坐标，z为光束传输距离，i为虚数单位，k为波矢，λ为波长，表示拉盖尔-高斯(LG)涡旋光束，F表示傅里叶变换函数。
最后，利用偏振镜52、傅里叶变换单元53和光束放大系统61对其进行调整并后直入射光强拍摄装置62中进行接收，利用涡旋光拓扑荷数的衍射图案实现拓扑荷数的判别。
综上所述，本发明提供了一种双耳圆形衍射光阑及涡旋光拓扑荷数检测系统与检测方法，涡旋光经过本发明的双耳圆形孔后产生特殊的光强分布，实现对涡旋光束拓扑荷数的检测。本发明通过单个孔径衍射，即可完成对涡旋光拓扑荷数的测量，从而避免了多孔径中孔的排布精度对测量精度的影响；并且在调节涡旋光束与双耳圆形孔径共轴时，即使有一定偏差，衍射光强分布仍能达到检测涡旋光拓扑荷数的目的，当光束中心与孔径中心重合时，现象最为清晰明显，因此本技术方案允许涡旋光束与双耳圆形孔径非严格对准，对检测操作误差具有一定的容忍度。同时本发明还提供了基于所述双耳圆形衍射光阑的涡旋光拓扑荷数检测系统，只需通过光束经过孔径衍射后的光强分布，即可判断涡旋光束的拓扑荷数，所用到的光学元件较少，且测量结果直观易读，便于实际操作。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种双耳圆形衍射光阑，其特征在于，包括双耳圆形衍射孔，所述双耳圆形衍射孔主要由双纽线、圆心均位于所述双纽线的对称中心的第一圆弧和第二圆弧构成；
其中，所述第一圆弧连接于所述双纽线的上侧，所述第二圆弧连接于所述双纽线的下侧，所述双纽线的横向长度与所述第一圆弧的半径之比为(2.5-3.2)：1；所述双耳圆形衍射孔左右对称。
2.根据权利要求1所述的双耳圆形衍射光阑，其特征在于，所述第二圆弧的半径不等于所述第一圆弧的半径，形成上下非对称结构。
3.根据权利要求1所述的双耳圆形衍射光阑，其特征在于，所述双纽线的横向长度与所述第一圆弧的半径之比为31：11。
4.根据权利要求3所述的双耳圆形衍射光阑，其特征在于，所述第一圆弧的半径为0.55mm，所述第二圆弧的半径为0.605mm，所述双纽线的横向长为1.55mm。
5.一种涡旋光拓扑荷数检测系统，其特征在于，按照光束传播路径，依次包括涡旋光产生模块、光阑衍射模块和光强检测模块，所述光阑衍射模块中设置有权利要求1-4任一所述的双耳圆形衍射光阑，用于衍射入射到所述光阑衍射模块上的涡旋光束。
6.根据权利要求5所述的涡旋光拓扑荷数检测系统，其特征在于，按照光束传播路径，所述涡旋光生成模块依次包括：用于产生高斯光束的光源、用于改变光偏振方向的偏振片、用于改变光的相位的涡旋光产生装置和用于筛选涡旋光的光阑，其中，所述涡旋光产生装置为反射式相位型空间光调制器、螺旋相位板或者超表面。
7.根据权利要求5所述的涡旋光拓扑荷数检测系统，其特征在于，按照光束传播路径，所述光阑衍射模块依次包括：用于发生衍射的衍射屏、用于调节光偏振的偏振镜和用于产生傅里叶变换的傅里叶变换单元，其中，所述衍射屏上加载有所述双耳圆形衍射光阑。
8.根据权利要求5所述的涡旋光拓扑荷数检测系统，其特征在于，按照光束传播路径，所述光强检测模块依次包括：用于扩束的光束放大系统和用于记录的光强拍摄装置，其中，所述光束放大系统为两个共焦的凸透镜组合或扩束镜。
9.根据权利要求8所述的涡旋光拓扑荷数检测系统，其特征在于，两个共焦的凸透镜的焦距分别为25mm和75mm，所述光强拍摄装置为CCD探测器。
10.一种涡旋光拓扑荷数检测方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一所述的双耳圆形衍射光阑对涡旋光进行衍射，得到涡旋光的远场衍射强度分布，然后对所述远场衍射强度分布进行探测。
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