CN113203486A - 一种基于相移技术的对称叠加态涡旋光的一次性测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相移技术的对称叠加态涡旋光的一次性测量方法。该方法包括两种策略：一种是用于振幅测量的环提取策略，另一种是用于相位测量的旋转测量策略。在概念验证实验中，对复振幅进行了表征，并对模式纯度进行了测量。该方法可用来评估生成的对称叠加态涡旋光的质量，所需时间短，可以表征对称叠加态涡旋光的复振幅，仅需极少时间即可实现模式纯度的测量，虽使用了相移技术，但已不再需要额外的参考光进行干涉。本方法具有良好的灵活性、快速性和鲁棒性，可适用于各种场合和恶劣条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于相移技术的对称叠加态涡旋光的一次性测量方法，通过提取圆环径向上的最大强度，可通过干涉强度恢复原来的单分量强度，该环提取策略可应用于对称叠加态涡旋光中原始单个分量振幅测量。通过简单的旋转图片操作替换实际中的相移操作，很快得到四种干涉强度，这种旋转策略可用于对对称叠加态涡旋光中原始单个分量相位的测量。
技术背景
光场中的涡旋现象最初由Boivin、Dow和Wolf于1967年在透镜组的焦平面附近发现。1973年，Bryngdahl首次开展了对制备涡旋光实验方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用连续激光成功制备了涡旋光。1990年Yu、Bazgenov V首次使用光栅法完成了涡旋光的制备。1992年，L.Allen发现了在近轴条件下带有相位因子
的涡旋光束具有轨道角动量，其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，
为方位角；每个光子携带
的轨道角动量，
为约化普朗克常数，该角相位因子说明涡旋光在传播过程中，若光束传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2πl。
涡旋光作为一种具有螺旋波阵面的新型结构光束，在光通信、粒子微操控、运动探测、光学微测量等领域具有重要的应用价值。拉盖尔-高斯光是一种典型的涡旋光，光束中的光子不仅具有自旋角动量(SAM)，也具有轨道角动量(OAM)，拓扑荷数决定了OAM的大小。完整的单一态拉盖尔-高斯光束具有圆环形的强度分布和中空暗核，光束中心强度为零的区域被定义为相位奇点。涡旋光束根据相位奇点的类型可分为两类，一类是光场的偏转方向相同，奇点的相位不确定，称为相位涡旋光；另一类是奇点的偏振方向不确定，称为矢量涡旋光，拉盖尔-高斯光是一种相位涡旋光。多种单一模式的涡旋光叠加可得到叠加态涡旋光，具有与单一态涡旋光不同的强度和相位分布。
涡旋光的制备是开展涡旋光研究的基础，常用的制备方法包括模式转换法、计算全息法、空间光调制器法、Q板法和矩阵螺旋相位板法。在实验室条件下，空间光调制器法是一种常用的制备方法。空间光调制器通过控制电场引起液晶显示器空间相位或振幅图像的变化，从而将一定的信息写入光波中，实现对光波的调制。通过复振幅调控技术制备叠加态涡旋光的全息图样并加载到空间光调制器，用一束线偏振高斯光照射空间光调制器，出射光即为叠加态涡旋光束。
目前叠加态涡旋光模式检测的通用方法是模式分解，将一个叠加态涡旋光场分解成多个单一模式的相干和，每个模式具有特定的振幅加权和相位。目前，常用的方法是用一个空间光调制器逐个扫描多幅不同的全息图，通过测量每种模式下的光场强度得到模式纯度，该方法只能测量单一涡旋光的模式纯度。而基于相移技术的自干涉方法，只需采集不同相移条件下的叠加态涡旋光强度分布，即可实现叠加态涡旋光的模式纯度测量。
模式纯度测量对于拓展应用具有重要意义。在涡旋光的实际应用过程中，进行叠加态涡旋光的模式纯度测量可以评估光束质量，对于光学微操作和光学旋转多普勒效应等应用具有重要意义。在实验室环境下，使用空间光调制器在制备叠加态涡旋光的同时实现模式纯度测量具有诸多优点，空间光调制器使用便利，通过相移技术与自干涉不再需要额外的参考光，通过模式分解即可快速得到叠加态涡旋光中单分量模式纯度。
复振幅测量是光场描述的必要前提。本专利提出了一种一次性测量方法：只用一张CCD记录的图片来描述对称叠加态涡旋光(SSOVs)的复振幅。该方法包括两种策略。一种是用于幅度测量的环提取策略，另一种是用于相位测量的旋转测量策略。在概念验证实验中，对复振幅进行了表征，并对模式纯度进行了测量。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对目前高效率测量表征对称叠加态涡旋光的复振幅较为困难，且很有必要，提出了一种基于相移技术的对称叠加态涡旋光的一次性测量方法。本方法具有良好的灵活性、快速性和鲁棒性，适用于各种场合和恶劣条件。提出了对对称叠加态涡旋光的原始单分量振幅进行测量的环提取策略和对对称叠加态涡旋光的原始单分量相位进行测量的旋转策略。在概念验证实验中，对复振幅进行了表征，并对模式纯度进行了测量。
本发明的技术解决方案是：
本发明涉及一种基于相移技术仅用一张CCD记录的图片来表征对称叠加态涡旋光复振幅的一次性测量方法，其主要包括以下步骤：
(1)编码对称叠加态涡旋光全息图并加载到空间光调制器，使用线偏振高斯光照射到纯相位空间光调制器制备对称叠加态涡旋光。
(2)对称叠加态涡旋光通过光束准直与滤波系统后，在光束的传播路径上使用CCD相机检测光束强度分布。
(3)运用环提取策略对对称叠加态涡旋光的原始单分量振幅进行测量，运用旋转测量策略对对称叠加态涡旋光的原始单分量相位进行测量，对复振幅进行了表征，并对模式纯度进行了测量。如图1所示。
本发明的原理是：
拉盖尔-高斯光是一种典型的涡旋光，是柱坐标系下近轴波动方程的一组解，当传播距离z＝0时，其复振幅在柱坐标系下可以表示为：
其中U为拉盖尔—高斯光的波矢量，
为柱坐标，r为极径，
为极角，m为拓扑荷数，p为径向节数，ω0为基模高斯光的束腰半径，
为拉盖尔多项式，i为虚数单位，π为圆周率。涡旋光的模式参数包含拓扑荷数与径向节数。
为了表达简洁并保留涡旋光的特性，(1)式可以简写为：
E＝Aexp(imφ) (2)
其中E表示涡旋光的光强矢量，A表示强度分布，i为虚数单位，m为拓扑荷数，φ为相位。
考虑只包含两个单成分的对称叠加态涡旋光，当两部分携带对称的轨道角动量时，即初始相位都为φ，两个组成部分可表示为：
其中E1、E2表示叠加态涡旋光中两个单一成分的光强矢量，A1、A2为强度分布，m1、m2为拓扑荷数，i为虚数单位，φ为相位，φs为相移，φs＝0,π/2,π,3π/2。通过涡旋光制备光路，可以获得四种对称叠加态涡旋光的强度分布：
其中I0为光束强度，(x,y)为笛卡尔坐标，φ为相角，I'(x,y)、I”(x,y)为光强因子，I'(x,y)＝A1 2+A2 2，I”(x,y)＝2A1A2。则根据相移可以计算相位φ：
虽然两个分量的强度不影响最终结果，但根据干涉对比度：
我们将两者设置为相等，以获得最佳干涉图样。其中
Imax＝A1+A2；Imin＝A1-A2 (8)
在环提取策略中，我们考虑了一种典型的拉盖尔-高斯(LG)光束。在这种情况下，式(4)中的振幅为：
其中
p表示径向节点，ω0是腰半径，L表示拉盖尔多项式。式(5)中的初始干扰强度变为：
I0(x,y；0)＝2A2(x,y)+2A2(x,y)cos(2φ) (10)
其中
I0max＝4A2 (φ＝πn,n∈Z) (11)
为了实现涡旋光的模式纯度检测，即确定拓扑荷数与径向节数，可采用模式分解的方法。任意涡旋光场的模式纯度可以表示为：
其中Γp为径向节数p的纯度，Γm为拓扑荷数m的纯度，
为
模式的复系数。
其中
为初始拉盖尔—高斯光的波矢量，
为柱坐标，r为极径，
为极角，
为一级积分变量，
为与其拓扑荷数相反的共轭，p为径向节数，m为拓扑荷数，
为标准的拉盖尔—高斯模式。
本发明方案的主要优点在于：
(1)高效简洁，操作简便，只需一次测量即可表征对称叠加态涡旋光的复振幅。
(2)适用范围广，灵活性、鲁棒性强，适用于各种场合和恶劣条件。
附图说明
图1为基于相移技术的表征对称叠加态涡旋光复振幅的一次性测量流程图；
图2为全息图编码示意图(对称叠加态涡旋光拓扑荷数为±1)；
图3为环提取策略(a1-a4)和旋转测量策略示意图(b1-b4)；
图4为计算所需相位的示意图；
图5为重叠涡旋光单组分模式纯度测量的实验装置图；
图6为一次性测量的实验结果图；
图7为单组分模式纯度的实验分布图
具体实施方案
本发明以对称叠加态涡旋光为测量对象，实施对象为空间光调制器，具体实施步骤如下：
首先，编码对称叠加态涡旋光的全息图并加载到纯相位空间光调制器上。氦氖激光器(NEWPORT N-LHP-151)在使用线性偏振器(LP)、半波片(HWP)和由两个透镜(L1、L2)组成的望远镜进行准直后，发出波长为632.8nm的准直高斯光束。LP和HWP的组合用于沿空间光调制器(SLM)的长显示轴旋转激光偏振态和调整SLM上入射光的功率。SLM(UPOLABSHDSLM80R)通过加载上述全息图来精确地调制入射光。然后利用光圈(AP)选择光束的第一级衍射，以避免其他杂散光。CCD摄像机(NEWPORT LBP2)记录L4之后的强度分布，如图5所示。
例如，首先通过多参量联合调控技术获得拓扑荷数为±1的对称叠加态拉盖尔-高斯光束全息图。在制作全息图的过程中，闪耀光栅防止部分未调制光混入所需的SSOV，使所需光束衍射到一阶，并使未调制光保持零阶。未调制的光是由于SLM液晶排列中的间隙造成的。虽然使用SLM进行复振幅调制会牺牲相位深度，但它允许我们径向调制入射光场，以生成SSOV的本征模，而不是超几何模。将编码后的全息图加载到SLM上，就可以得到式(6)中I0(x,y；0)时对称叠加态涡旋光的强度，如图2所示：(a)对称叠加态涡旋光的归一化振幅；(b1)闪耀光栅的相位；(b2)对称叠加态涡旋光相位；(c)编码全息图；(d)由(c)产生的I0(x,y；0)时的对称叠加态涡旋光的实验强度，色条1表示相位范围。色条2显示(a)和(d)的范围。。
结合式(11)可以看出，干涉影响SSOV的角分布，但干涉前的光强总是可以在径向上恢复，通过提取圆环径向上的最大强度，可以通过干涉强度恢复原来的单分量强度。我们在径向等间距d取多个圆环。在每个环中，我们取环中的最大强度，并将该值指定给环的相应空间位置。随着间隔逐渐减小，恢复的强度分布更接近对称叠加态涡旋光中的原始单个分量，环提取的策略示意图如图3(a1-a4)所示。通过旋转图3(b1)所示的图片来替换实际的相移操作。通过一个简单的旋转操作，我们可以很快得到式(5)所要求的四种干涉强度。旋转测量策略的示意图如图3(b1-b4)所示。
通过一个简单的旋转操作，我们可以很快得到式(5)所要求的四种干涉强度，使用相位展开技术对对称叠加态涡旋光的单组分相位进行计算。首先，我们需要调整相位以达到最大的相位展开效率，如图4(b-c)所示。再使用相位展开技术来获得展开相位，相位恢复为线性增加。这里相位展开的目的是将相位恢复到图4(b)之后的计算相位的一半。我们可以直接执行相位展开或先执行加窗傅里叶变换(WFT)，然后再执行相位展开。为了进一步降低噪声，平滑相位，计算所需相位的示意图如图4所示：对称叠加态涡旋光的拓扑荷数为±1。(a1-a4)四个旋转强度的对称叠加态涡旋光。(b)计算阶段。红色虚线表示修剪区域。(c)修剪相位。(d)WFT过滤的修剪相位(可选)。(e1-e2)展开相位。色条1表示相位范围。色条2表示强度范围。
一次测量的实验结果如图6所示。在概念验证实验中，我们选择了四个典型的单阶、低阶、高阶和径向节点的对称叠加态涡旋光来表征复振幅，图6(a1-d1)中的CCD只记录了一幅图像。我们通过环提取策略获得SSOV中单个组分的强度分布，如图6(a3-d3)所示。在展开后，通过旋转测量的方法得到了单分量的相位分布。
为了验证检测方法的准确性，我们选取了两个SSOV来计算模式纯度，任意场的模式纯度可以通过式(12)计算得到。单个组件的计算模式纯度如图7所示，无论是径向分解还是角向分解，模型纯度都可以用一次测量法计算。实验结果表明，角向模的纯度(OAM谱)比径向模的纯度(径向分布)高，这与OV角分布更具鲁棒性相一致。
此外，空间光调制器对光束的入射角度与功率都有一定限制，所以具体光路设计还要根据实验室实际情况进行。
本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (3)
1.一种基于相移技术的对称叠加态涡旋光的一次性测量方法，其特征在于：用一次测量来表征对称叠加态涡旋光的复振幅，提高了测量效率，仅需极少时间即可实现模式纯度的测量，方法所需时间较短。
2.根据权利要求1所述的基于相移技术的对称叠加态涡旋光的一次性测量方法，其特征在于：提出了一种是用于振幅测量的环提取策略，通过提取圆环径向上的最大强度，可通过干涉强度恢复原来的单分量强度，步骤如下：
(1)对生成对称叠加态涡旋光的强度图进行径向等距环形网格分割；
(2)在每个环形网格中选取强度最大值，而后将该强度值填充于该环形网格中，即可得到相应空间位置的强度图。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的基于相移技术表征对称叠加态涡旋光的一次性测量方法，其特征在于：提出了一种适用于相位测量的旋转测量策略，通过简单的旋转图片操作替换实际中的相移操作，很快得到四种干涉强度，步骤如下：
(1)将获得的对称叠加态涡旋光的强度图分别旋转角度45/m°、90/m°、135/m°，其中m为对称叠加态涡旋光单分量的拓扑荷数的绝对值；
(2)通过公式
计算出对称叠加态涡旋光的单分量相位，其中I0为光束强度，(x,y)为笛卡尔坐标，φ为相角。由此只需一次测量即可得到叠加态涡旋光单分量相位信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210803 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |