CN109443556A - 一种测量涡旋光束拓扑荷数的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量涡旋光束拓扑荷数的装置及方法，属于光测量技术领域。该测量方法为：待测光源发出光束，经过螺旋相位板生成待测的拉盖尔高斯涡旋光束，该光束沿着垂直于锥型镜的对称轴从锥型镜底部入射，经过锥型镜多面折射后得到的多光束相干叠加，得到干涉图样，通过观察CCD相机中记录的干涉图样得到待测光束的拓扑荷数。本发明的测量涡旋光束拓扑荷数的装置及方法采用待测光源和多面锥型镜组成的系统来测量拉盖尔高斯涡旋光束的拓扑荷数，光束具有较好的质量和高的利用率，并且获得清晰的干涉图样。本发明所采用的测量装置操作简单、成本低、易于集成、具有良好的稳定性并且光束具有高的透过率。
Description
技术领域
本发明涉及光测量技术领域，具体涉及一种测量涡旋光束拓扑荷数的装置及方法。
背景技术
涡旋是一种常见的自然现象，可以出现在任意的波动现象中，例如涡旋光束、涡旋电子束、X射线涡旋等。涡旋光束是具有螺线形相位分布或相位奇点的光束，其表达式中含有相位因子，光束中的每个光子携带的轨道角动量，其中l称为拓扑荷数，为约化普朗克常数。该光束沿光束传播方向上光束中心强度或轴向强度保持为零。涡旋光束以其独特的性质，在光学微操纵、空间光通信即天文观测等领域具有重要的研究意义和应用前景。目前有很多测量涡旋光束拓扑荷数的方法，但对待测光束利用率很低，都有不同程度的损失。
涡旋光束具有广阔的应用前景，因此提出一种简便有效测量涡旋光束拓扑荷数的方法具有重要意义。涡旋光束沿着多面锥型镜对称轴从锥型镜底部入射，经过多面锥型镜的折射后形成多光束，这些光束形成稳定有规律的波前干涉图样，基于此特性我们提出了一种测量涡旋光束拓扑荷数的装置及方法。
发明内容
本发明提供一种测量涡旋光束拓扑荷数的装置，可以解决现有技术中的上述问题。
本发明提供了一种测量涡旋光束拓扑荷数的装置，包括：待测光源、螺旋相位板、锥型镜、凸透镜和CCD相机，所述待测光源产生的光束通过螺旋相位板生成待测拉盖尔高斯涡旋光束，之后待测拉盖尔高斯涡旋光束通过锥型镜，然后再经过凸透镜聚焦，最后利用CCD相机进行记录。
优选地，所述待测光源为He-Ne激光器。
优选地，所述锥型镜为五棱锥、六棱锥、七棱锥或八棱锥锥型镜。
优选地，所述待测拉盖尔高斯涡旋光束沿着垂直于所述锥型镜的对称轴的方向且从所述锥型镜的底部入射。
优选地，所述待测光源产生的光束通过螺旋相位板，生成待测拉盖尔高斯涡旋光束，之后拉盖尔高斯涡旋光束从锥型镜的底部入射，经过锥型镜的多面折射得到多光束的波前干涉，然后再经过凸透镜聚焦后，利用CCD相机对入射光束进行记录，获得拉盖尔高斯涡旋光束的干涉图样，通过观察干涉图样，确定拓扑荷数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用待测光源和多面锥型镜组成的系统来测量拉盖尔高斯涡旋光束的拓扑荷数，光束具有较好的质量和高的利用率，并且获得清晰的干涉图样。
(2)本发明所采用的测量装置操作简单、成本低、易于集成、具有良好的稳定性并且光束具有高的透过率。
附图说明
图1为本发明的测量装置的结构示意图；
图2为本发明的八棱锥锥型镜的结构示意图；
图3为本发明使用八棱锥锥型镜得到不同拓扑荷数涡旋光束的干涉强度图。
附图标记说明：
1.待测光源，2.螺旋相位板，3.锥型镜，4.凸透镜，5.CCD相机。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种测量涡旋光束拓扑荷数的装置，如图1所示，包括：待测光源1、螺旋相位板2、锥型镜3、凸透镜4和CCD相机5。
其中，待测光源1为He-Ne激光器、波长为534nm的固体激光器或半导体泵浦固体激光器。
其中的锥型镜3需要在五面以上的锥型镜，如五棱锥、六棱锥、七棱锥或八棱锥锥型镜。少于五面，由于相位差的原因，会有重复的图案出现，无法精准测量。
值得注意的一点：形成的拉盖尔高斯涡旋光束只能从锥型镜的底部入射，然后从锥形多面出射，产生固定的相位差，形成稳定的干涉图样。从锥型镜的其他部分入射，无法形成干涉图样。
基于以上装置的测量方法为：
首先，由待测光源1产生的光束经过螺旋相位板2，生成待测拉盖尔高斯涡旋光束，该光束再沿着垂直于多面锥型镜3的对称轴从锥型镜3的底面中心处入射，光束束腰半径小于底面半径，保证光束全部入射到光学元器件中。
其次，待测光束经过多面锥型镜3的折射后，形成多光束的波前干涉，然后再经过凸透镜4进行聚焦，之后利用CCD相机5对干涉图样信息进行采集，最后通过观察干涉图样得到拓扑荷数的值。
如图2所示，本发明使用的八棱锥锥型镜的结构示意图。
如图3所示，本发明使用八面棱锥锥型镜得到不同拓扑荷数涡旋光束的干涉强度图。由于拓扑荷数的改变会影响光束相位的分布，最终导致干涉图样的变化。
将图3中(b)、(c)、(d)与(a)对比，我们发现，不同拓扑荷数下，干涉图样的分布完全不一样。虽然图(b)和(d)看起来相似，实际上亮点周围的分布是完全不一样的。因此，我们可以通过直接观测干涉图样的方法得到其对应的拓扑荷数。
本发明的测量涡旋光束拓扑荷数的装置的工作过程：
由待测光源1产生的光束经过螺旋相位板2，生成待测的拉盖尔高斯涡旋光束，该光束沿着锥型镜3的对称轴从锥型镜3底部入射，经过锥型镜3多面折射后得到的多光束相干叠加，再经过凸透镜4进行聚焦，得到干涉图样，通过观察CCD相机5中记录的干涉图样得到待测光束的拓扑荷数。
本发明的有益效果是：
(1)采用待测光源和多面锥型镜组成的系统来测量拉盖尔高斯涡旋光束的拓扑荷数，光束具有较好的质量和高的利用率，并且获得清晰的干涉图样。
(2)本发明所采用的测量装置操作简单、成本低、易于集成、具有良好的稳定性并且光束具有高的透过率。
本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实施。以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种测量涡旋光束拓扑荷数的装置，其特征在于，包括：待测光源(1)、螺旋相位板(2)、锥型镜(3)、凸透镜(4)和CCD相机(5)，所述待测光源(1)产生的光束通过螺旋相位板(2)生成待测拉盖尔高斯涡旋光束，之后待测拉盖尔高斯涡旋光束通过锥型镜(3)，然后再经过凸透镜(4)聚焦，最后利用CCD相机(5)进行记录。
2.如权利要求1所述的测量涡旋光束拓扑荷数的装置，其特征在于，所述待测光源(1)为He-Ne激光器。
3.如权利要求1所述的测量涡旋光束拓扑荷数的装置，其特征在于，所述锥型镜(3)为五棱锥、六棱锥、七棱锥或八棱锥锥型镜。
4.如权利要求1所述的测量涡旋光束拓扑荷数的装置，其特征在于，所述待测拉盖尔高斯涡旋光束沿着垂直于所述锥型镜(3)的对称轴的方向且从所述锥型镜(3)的底部入射。
5.基于权利要求1-4任一所述的测量涡旋光束拓扑荷数装置的测量方法，其特征在于，所述待测光源(1)产生的光束通过螺旋相位板(2)，生成待测拉盖尔高斯涡旋光束，之后拉盖尔高斯涡旋光束从锥型镜(3)的底部入射，经过锥型镜(3)的多面折射得到多光束的波前干涉，然后再经过凸透镜(4)聚焦后，利用CCD相机(5)对入射光束进行记录，获得拉盖尔高斯涡旋光束的干涉图样，通过观察干涉图样，确定拓扑荷数。
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| CN113063506A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-07-02 | 电子科技大学 | 对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法 |
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2018
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| CN113063506B (zh) * | 2021-03-18 | 2022-08-02 | 电子科技大学 | 对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法 |
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