CN111579100B - 一种可视化m-线法检测拓扑荷数的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可视化M‑线法检测拓扑荷数的装置，包括依次设置的波导、CCD和电脑，待测涡旋光束依次经过波导后形成反射光光斑的M‑线被CCD接收到，电脑与CCD连接，用以在线检测M‑线的数量以测试待测涡旋光束的拓扑荷数。一种可视化M‑线法检测拓扑荷数的方法，包括以下步骤：待测涡旋光束照射至波导表面；涡旋光束被激发并耦合进波导表面内，涡旋光束从波导的另一侧反射出；从波导中反射出的涡旋光束形成反射光斑的M‑线进入CCD；根据M‑线的数量得出拓扑荷数的数量。本发明的检测方法利用成熟的波导加工工艺，操作简单，检测结果准确度高，可以对多种不同的涡旋光束进行测量，通用性强，通过观察M‑线就可以定量测量拓扑荷数，检测效果更为直观。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测拓扑荷数的装置和方法，尤其涉及一种可视化M-线法检测拓扑荷数的装置和方法，属于光学测试技术领域。
背景技术
涡旋光束的种类非常多，常见的有厄米-高斯光束、拉盖尔-高斯光束、高阶贝塞尔涡旋光束。涡旋光束是一种具有螺旋相位波前，带有轨道角动量并且携带不同拓扑电荷数的独特光束。因其独特的光学性质，一直是光学领域的研究热点。在光操控、光学信息传输、非线性光学、激光光学、生物医学等众多领域的都有一定的应用。
传统的光学编码都是通过将各种待传输的信号转换为光束的光强、偏振状态或者频率等光信号进行传输。将信息编码在光束的光强、偏振状态或者频率这些特性中用来实现光的信息传输。
而涡旋光束的拓扑荷数在传播一定的距离时不会发生改变，并且理论上对这个整数值的大小没有限制。因此相比传统的利用振幅、频率等编码，涡旋光束具有信息存储量大、稳定性高和保密性好的特点，而被用于信息编码，进行高密度信息存储和传输。而为了能够更好地实现光信息传输，我们需要检测涡旋光束，也就是检测涡旋光束的拓扑荷数。
常见的光测量拓扑荷数的方法有以下几种，马赫曾德尔干涉法，杨氏双缝干涉法，计算全息图法和涡旋光束与平面波干涉法。其中马赫曾德尔干涉法较为复杂且测量奇数拓扑荷数不一定准确；计算全息图法步骤繁琐；平面波干涉法和杨氏双缝干涉法虽然可以测量拓扑荷数大小和符号，但是测量较慢且不适合于拓扑荷数较大的情况。
因此，现阶段需要设计一种操作简单、能够快速检测拓扑荷数的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中检测拓扑荷数的方法复杂、效率低、准确性差的不足，提供一种可视化M-线法检测拓扑荷数的装置和方法，技术方案如下：
一种可视化M-线法检测拓扑荷数的装置，包括依次设置的波导、CCD和电脑，待测涡旋光束依次经过波导后形成反射光光斑的M-线被CCD接收到，电脑与CCD连接，用以在线检测M-线的数量以测试待测涡旋光束的拓扑荷数。
一种可视化M-线法检测拓扑荷数的方法，包括以下步骤：
待测涡旋光束照射至波导表面；
涡旋光束被激发并耦合进波导表面内，涡旋光束从波导的另一侧反射出；
从波导中反射出的涡旋光束形成反射光斑的M-线进入CCD；
根据M-线的数量得出拓扑荷数的数量。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明通过激发波导中的导模，利用反射光斑中形成的M-线进行拓扑荷数的检测。本发明的检测方法利用成熟的波导加工工艺，操作简单，检测结果准确度高，可以对多种不同的涡旋光束进行测量，通用性强，通过观察M-线就可以定量测量拓扑荷数，检测效果更为直观。
附图说明
图1为本发明的可视化M-线法检测拓扑荷数的实验原理图；
图2为实施例1的检测结果图，
a-拓扑荷数为1的涡旋光的反射光斑的强度，
b-拓扑荷数为1的涡旋光的反射光斑的位相，
c-拓扑荷数为2的涡旋光的反射光斑的强度，
d-拓扑荷数为2的涡旋光的反射光斑的位相；
图3为本发明中的波导的示意图；
图中：1-激光，2-相位板，3-波导，31-棱镜，32-薄膜，4-CCD，5-电脑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
相关术语解释：
CCD：Charge-coupled Device，电荷耦合元件；
SPR：Surface plasmon resonance，表面等离子体共振；
相位匹配：只有当入射角度满足相位匹配条件时，导模才会被激发。
实施例1
如图1和图2所示，一种可视化M-线法检测拓扑荷数的装置，包括依次设置的波导3、CCD4和电脑5，待测涡旋光束依次经过波导3后形成反射光光斑的M-线被CCD4接收到，电脑5与CCD4连接，用以在线检测M-线的数量以测试待测涡旋光束的拓扑荷数。
本实施例中产生待测涡旋光束的装置为激光器和相位板2，激光器发出的激光1照射至相位板2后产生涡旋光束。
一种可视化M-线法检测拓扑荷数的方法，包括以下步骤：
待测涡旋光束照射至波导3表面；
涡旋光束被激发并耦合进波导3表面内，涡旋光束从波导3的另一侧反射出；
从波导3中反射出的涡旋光束形成反射光斑的M-线进入CCD4；
根据M-线的数量得出拓扑荷数的数量。
如图3所示，本实施例中具体地，波导3是SPR波导，包括棱镜和镀在棱镜表面的薄膜。
薄膜为贵金属薄膜，本实施例中采用的贵金属薄膜为Ag膜。贵金属薄膜的厚度在50-100nm。
本实施例中，激光1照射至相位板2后产生涡旋光束。M-线即图2中反射光斑中的黑线。
激光1经过相位板2产生涡旋光束后，照射到等离激元波导3表面，在相位匹配的情况下导模被激发，光束就从入射棱镜被耦合进薄膜，然后从波导3的另一侧射出，再利用CCD4来观察反射光斑的M-线就可以定量检测拓扑荷数。
以棱镜耦合为例，在涡旋光束激发下，当棱镜中光波波矢在棱镜底面方向的分量等于波导3中导膜的传播波矢时，入射光耦合进波导3层中，波导3内的导模被成功激发。在相位匹配的情况下，利用涡旋光束的位相分布就可以检测拓扑荷数。即不同的拓扑荷数对应着不同的M-线数量，拓扑荷数更大的光束会激发更多的M-线，数出M-线的条数就可以知道拓扑荷数的数量。
如图2所示，从涡旋光束的横截面来观察，当相位匹配时：如图2a和图2b，当拓扑荷数为1时，它的波前相位是0～2π的范围内绕一周，对应的相位结构发生了一个周期的变化，会有一条M-线匹配出现在涡旋光束的反射光斑上；如图2c和图2d，当拓扑荷数为2时，它的位相变化是0～4π，会有两条M-线模式；当拓扑荷数为3时，它的位相变化是0～6π，会有三条M-线模式。
由于中心的位相奇点包含各种不同的位相，涡旋光斑的M线总是从中心的位相奇点产生，扭曲地扫过整个光斑以后，又消失在中心的暗纹内。本发明中不考虑反射光斑中间由于高斯光束引起的扭曲造成的连在一起没有断开的M-线。
从图2中可以看到，相同入射角入射时,拓扑荷数为1的涡旋光是一条M-线，拓扑荷数为2的涡旋光则是两条。以此类推，M-线的条数对应拓扑荷数个数。
本发明通过激发波导中的导模，利用反射光斑中形成的M-线进行拓扑荷数的检测。本发明的检测方法利用成熟的波导加工工艺，操作简单，检测结果准确度高，可以对多种不同的涡旋光束进行测量，通用性强，通过观察M-线就可以定量测量拓扑荷数，检测效果更为直观。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种可视化M-线法检测拓扑荷数的装置，其特征在于，包括依次设置的表面等离子体共振波导、CCD和电脑，待测涡旋光束依次经过表面等离子体共振波导后形成反射光光斑的M-线被CCD接收到与CCD连接的所述电脑，用以在线检测M-线的数量以测试待测涡旋光束的拓扑荷数。
2.一种可视化M-线法检测拓扑荷数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
待测涡旋光束照射至表面等离子体共振波导表面；
涡旋光束被激发并耦合进表面等离子体共振波导表面内，涡旋光束从表面等离子体共振波导的另一侧反射出；
从表面等离子体共振波导中反射出的涡旋光束形成反射光斑的M-线进入CCD；
根据所述M-线的数量得出拓扑荷数的数量。
3.根据权利要求2所述的可视化M-线法检测拓扑荷数的方法，其特征在于，所述表面等离子体共振波导包括棱镜和镀在所述棱镜表面的薄膜。
4.根据权利要求3所述的可视化M-线法检测拓扑荷数的方法，其特征在于，所述薄膜为贵金属薄膜。
5.根据权利要求4所述的可视化M-线法检测拓扑荷数的方法，其特征在于，所述贵金属薄膜为Ag膜或Au膜中的一种。
6.根据权利要求4或5所述的可视化M-线法检测拓扑荷数的方法，其特征在于，所述贵金属薄膜的厚度在50-100nm。
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