CN111473872B - 一种测量多模完美涡旋光束的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量多模完美涡旋光束的方法和装置。本发明利用环形排布的扇形微透镜阵列来分割出多模完美涡旋光束的各环信息，通过闭曲线积分来求解各模式的大小和符号。多模完美涡旋光束入射扇形微透镜阵列后，在焦平面上得到环形分布的光斑阵列，然后从光斑阵列中心位置处开始环向扫描，每扫描一环，确定所在环的闭合曲线和对应的相位斜率，最后带入闭曲线积分中即可得到结果。该方法更容易对数据分类和处理，而且能够测量的模式范围更大；该方法结构简单，测量方便快捷，在自由空间光通信、光纤通信、光镊技术等领域有很大的应用前景。

Description

一种测量多模完美涡旋光束的方法和装置

技术领域

本法明属于光学测量领域，具体涉及一种测量多模完美涡旋光束各模式大小和符号的方法。

背景技术

光的角动量分为自旋角动量和轨道角动量，其中，自旋角动量表现在光的偏振中，早已为人们熟知，而光的轨道角动量，在1992年才被Allen等人证实含有相位项

的光束具有

大小的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)，其中l叫做拓扑荷数或模式数。这类光束也被称为涡旋光束，其相位面为螺旋型结构，中心为一相位奇点，光强为环形分布。传统的涡旋光束其环半径与

成正比，在多个模式应用时不是很方便。在2013年，完美涡旋光束被提出，这种涡旋光束的振幅不受l的影响，且光束的环宽度可控。由于完美涡旋光束具有OAM和其特殊的振幅性质，使得其在自由空间光通信，光纤OAM通信，粒子操控，遥感探测等领域有着广泛的应用。

在这些应用中，测量完美涡旋光束的OAM值，即模式大小和符号，具有非常重要的意义。目前对于单模完美涡旋光束的测量方法，和普通涡旋光束的测量差不多，使用干涉法和衍射法也能测量，但只能测量低阶的光束，对于高阶的光束，这些方法不是很理想。对于多模完美涡旋光束，目前采用的方法主要是光栅法。目前光栅法的测量范围在±20以内，而且光栅法容易受串扰的影响。而采用方形微透镜阵列只能测量单模完美涡旋光束，对于多模完美涡旋光束，使用方形微透镜阵列难以对各模式进行分割处理。

发明内容

本发明的目的在于解决以上测量多模完美涡旋光束的不足，根据完美涡旋光束的环形振幅与螺旋相位结构，使用扇形微透镜阵列结合闭曲线积分的方法来测量多模完美涡旋光束，其中扇形微透镜阵列能够更好的分割出多模完美涡旋光束的各环形强度，并能很好的找出每个环所在的闭合曲线进行闭曲线积分来得到各环的模式数大小和符号。该方法装置结构简单，是一种测量方便，简单快捷的测量多模完美涡旋光束的方法。

本发明采用的技术方案为：

一种测量多模完美涡旋光束的方法，采用扇形微透镜阵列来分割出多模完美涡旋光束的各环相位信息，不同于传统的方形微透镜阵列，扇形微透镜阵列是由扇形小透镜组成的环形排布，这样的排布能够更容易的分离多模完美涡旋光束来进行测量，使用闭曲线积分是根据完美涡旋光束绕奇点一周，相位改变2πl，这一物理意义来计算模式数的大小和符号，其表达式如下：

式中φ是完美涡旋光束的相位函数，Γ_m是第m环所在的闭合曲线。其特征在于步骤如下：

步骤1：使用空间光调制器，来生成多模完美涡旋光束；

步骤2：将待测多模完美涡旋光束垂直入射到扇形微透镜阵列上，扇形微透镜阵列对入射波前进行分割，分割成扇形子波前，每个子波前经过对应的扇形小透镜后聚焦，在焦平面上使用CCD相机记录得到环形分布的光斑阵列；

步骤3：由于扇形微透镜阵列的环形布，能很好的分割出各模式，根据CCD相机记录的光斑阵列，通过计算机从光斑阵列中心位置处开始扫描各环信息，并同时确定各环的闭合曲线和对应相位斜率，带入闭曲线积分中来得到多模完美涡旋光束的各模式的大小和符号。

进一步地，所述的多模完美涡旋光束可以为多模拉盖尔-高斯涡旋光束或多模贝塞尔涡旋光束。

进一步地，所述的测量方法为使用闭曲线积分并结合扇形微透镜阵列对多模完美涡旋光束更容易分割的特性来进行测量。

一种测量多模完美涡旋光束的装置，包括激光器1、衰减片2、激光扩束镜3、空间光调制器4、孔径光阑5、扇形微透镜阵列6、CCD相机7、计算机8；激光器1和空间光调制器4之间依次设有衰减片2、激光扩束镜3；空间光调制器4和CCD相机7之间依次设有孔径光阑5、扇形微透镜阵列6；CCD相机7和计算机8相连。

进一步地，所述衰减片2用于衰减激光光强，置于光路中，确保入射到CCD靶面上的光子数不会超出其动态范围，可以用两块偏振片或其他衰减光强的光学元件代替衰减片2。

进一步地，所述的激光扩束镜3用于将衰减后的激光扩束至空间光调制器生成多模完美涡旋光束所需的激光直径。

进一步地，所述的空间光调制器4加载相位图和全息图，用于生成不同模式叠加的多模完美涡旋光束，可用数字微镜或多光路耦合的方法代替生成多模完美涡旋光束。

进一步地，所述的孔径光阑5位于空间光调制器4后，用于滤除其他级次的的光束或杂散光。

进一步地，所述的扇形微透镜阵列6位于孔径光阑5后的光路中，用于分割多模完美涡旋光束的波前。

进一步地，所述的CCD相机7置于扇形微透镜阵列6的焦平面上，用于接收每个子透镜聚焦的光斑。其子透镜不局限于扇形形状，可以是子透镜为其他形状的环形排布方式。

进一步地，所述的计算机8与CCD相机7相连，显示来自CCD相机7接收的焦平面处的光斑阵列，并根据各环的光强信息得到闭合曲线，和对应的斜率信息，进而得到多模完美涡旋光束的模式数大小和符号。

本发明具有以下有益效果：

(1)与使用传统的方形微透镜阵列，使用扇形微透镜阵列能够更容易的分割多模完美涡旋光束，和提取出各环的闭合曲线和对应的相位斜率。

(2)与光栅法相比，该方法的探测的动态范围更大，而且可以通过不同的应用需要，来设计扇形微透镜阵列的尺寸，来实现不同范围的多模完美涡旋光束的测量。

(3)该方法只需找出一条闭合曲线和闭合曲线上对应的相位斜率即可求解对应的模式，结构更简单，测量更方便灵活。

附图说明

图1是本发明测量多模完美涡旋光束的装置结构示意图。

图2是带有衬底的扇形微透镜阵列的结构示意图。

图3是为四个模式叠加的多模完美涡旋光束的光场分布及多模完美涡旋光束经过扇形微透镜阵列后在焦平面上的光斑阵列，图3(a)是模式成分为l₁＝20,R₁＝0.6mm、l₂＝30,R₂＝1mm、l₃＝40,R₃＝1.4mm、l₄＝50,R₄＝1.8mm的多模完美涡旋光束的光场分布，图3(b)是图3(a)所示的多模完美涡旋光束经过扇形微透镜阵列后，在焦平面上的光斑阵列。

图4是计算机通过计算图3(b)中的光斑阵列的模拟值与理论值的对比。

图5是六个模式叠加的光场分布及多模完美涡旋光束经过扇形微透镜阵列后在焦平面上的光斑阵列，图5(a)是模式成分为l₁＝±10,R₁＝0.6mm、l₂＝±15,R₂＝1mm、l₃＝±25,R₃＝1.4mm的多模完美涡旋光束的光场分布，图5(b)是图5(a)所示的多模完美涡旋光束经过扇形微透镜阵列后，在焦平面上的光斑阵列。

图6是计算机通过计算图5(b)中的光斑阵列的模拟值与理论值的对比。

图1中：1-激光器，2-衰减片，3-激光扩束镜，4-空间光调制器，5-孔径光阑，6-扇形微透镜阵列，7-CCD相机，8-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明

本发明用于测量多模完美涡旋光束。其核心思想是利用环形分布的扇形微透镜阵列来分割多模完美涡旋光束，并结合闭曲线积分的方式，利用公式(1)来求解。如图2所示，为环形分布的扇形微透镜阵列。

公式(2)为完美涡旋光束的表达式，和普通的涡旋光束一样，具有螺旋型的相位结构，但其振幅受δ函数的调制，其光环半径不受拓扑荷数的影响。

E(r,θ)＝δ(r-R)exp(-ilθ) (2)

式中，l为模式数，R是完美涡旋光束的光环宽度，r,θ是极坐标参数。对相位求导，得到其波前斜率分布，如下式所示：

公式(3)中，λ为完美涡旋光束的波长。从公式(3)中可以看出，其相位斜率呈环形分布，结合对应的闭合曲线，带入公式(1)中即可得到模式大小与符号。

多模完美涡旋光束的表达式如下：

式中，R_n是每个完美涡旋光束的光环半径，为了更好的测量，光环半径R_n＝(m-1)d+d/2，d为扇形微透镜阵列每个环的宽度，这样可使每个完美涡旋光束的光强都落在每个环上，更方便测量。

如图1所示，为测量多模完美涡旋光束的装置结构示意图。

激光器1发出的激光经过衰减片2后，再经过激光扩束镜3扩至所需的光束宽度，经过空间光调制器4产生多模完美涡旋光束，孔径光阑5用于滤去其他级次的光束。扇形微透镜阵列6位于孔径光阑5后，调节好后的多模完美涡旋光束入射到扇形微透镜阵列6上，在焦平面的CCD相机7接收聚焦的光斑阵列，并显示在计算机8上，通过计算机8分析各环光强信息来找出闭合曲线和计算对应的相位斜率，带入公式(1)中，即可得到多模完美涡旋光束各模式的大小和符号。

以下实施列中，扇形微透镜阵列的尺寸为：每个环的宽度d＝0.4mm。

实施例1：四个模式组成的多模完美涡旋光束的，分别为l₁＝20,R₁＝0.6mm、l₂＝30,R₂＝1mm、l₃＝40,R₃＝1.4mm、l₄＝50,R₄＝1.8mm。如图3(a)所示，为四个模式叠加的多模完美涡旋光束的光场分布，经过振幅的调制，四个模式呈同心圆排布。图3(b)为经过扇形微透镜阵列后的光斑阵列分布，生成的多模完美涡旋光束与该扇形微透镜阵列相匹配，扇形微透镜阵列的每个环上承载着一个完美涡旋光束模式，所以能够很好的将各模式分割出来。对图3(b)进行处理，从中心开始扫描每个环上的光斑信息，并确定闭合曲线，再计算每个环上光斑所在位置的相位斜率信息，根据公式(1)即可得到各模式的大小和符号。结果如图4所示，模拟值和理论值十分吻合。

实施列2：六个模式组成的多模完美涡旋光束，分别为l₁＝±10,R₁＝0.6mm、l₂＝±15,R₂＝1mm、l₃＝±25,R₃＝1.4mm。图5(a)为六个模式叠加的光场分布，此时，同一个环上有两个模式存在。图5(b)为经过扇形微透镜阵列后的光斑阵列分布，由于同一个环上有两个模式，所以在同一个子孔径区域内出现了两个光斑，这两个光斑分别对应同一环上的两个模式，所以通过分别计算这两个光斑所对应的相位斜率，即可得到所对应的两个模式大小和符号。模拟值如图6所示，在这种情况下，与理论值也十分吻合。

本发明根据多模完美涡旋光束的光强结构，提出了使用闭曲线积分结合扇形微透镜阵列的方法来测量多模完美涡旋光束。从实施例1、2中可以看出，该方法的探测范围比光栅法更大，更灵活，且计算方便，结构简单。

本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡在本发明的精神和原则之内对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求保护范围内。

Claims (5)

1.一种测量多模完美涡旋光束的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：使用空间光调制器，来生成多模完美涡旋光束；

步骤2：将待测多模完美涡旋光束垂直入射到扇形微透镜阵列上，扇形微透镜阵列对入射波前进行分割，分割成扇形子波前，每个子波前经过对应的扇形小透镜后聚焦，在焦平面上使用CCD相机记录得到环形分布的光斑阵列；

步骤3：由于扇形微透镜阵列的环形分布，能很好的分割出各模式，根据CCD相机记录的光斑阵列，通过计算机从光斑阵列中心位置处开始扫描各环信息，并同时确定各环的闭合曲线和对应相位斜率，带入闭曲线积分中来得到多模完美涡旋光束的各模式的大小和符号。

2.根据权利要求1所述的一种测量多模完美涡旋光束的方法，其特征在于：所述的多模完美涡旋光束为多模拉盖尔-高斯涡旋光束或多模贝塞尔涡旋光束。

3.根据权利要求1所述的一种测量多模完美涡旋光束的方法，其特征在于：所述测量多模完美涡旋光束的方法为使用闭曲线积分并结合扇形微透镜阵列对多模完美涡旋光束更容易分割的特性来进行测量。

4.一种测量多模完美涡旋光束的装置，其特征在于：包括激光器（1）、衰减片（2）、激光扩束镜（3）、空间光调制器（4）、孔径光阑（5）、扇形微透镜阵列（6）、CCD相机（7）和计算机（8）；激光器（1）和空间光调制器（4）之间依次设有衰减片（2）、激光扩束镜（3）；空间光调制器（4）和CCD相机（7）之间依次设有孔径光阑（5）、扇形微透镜阵列（6）；CCD相机（7）和计算机（8）相连；使用空间光调制器，来生成多模完美涡旋光束；将待测多模完美涡旋光束垂直入射到扇形微透镜阵列上，扇形微透镜阵列对入射波前进行分割，分割成扇形子波前，每个子波前经过对应的扇形小透镜后聚焦，在焦平面上使用CCD相机记录得到环形分布的光斑阵列；CCD相机记录得到环形分布的光斑阵列；根据CCD相机记录的光斑阵列，通过计算机从光斑阵列中心位置处开始扫描各环信息，并同时确定各环的闭合曲线和对应相位斜率，带入闭曲线积分中来得到多模完美涡旋光束的各模式的大小和符号。

5.根据权利要求4所述的一种测量多模完美涡旋光束的装置，其特征在于：产生多模完美涡旋光束的所述空间光调制器用数字微镜或多光路耦合的方法代替。

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