CN114295203A - 涡旋光束的涡旋强度测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于低频外差干涉仪的涡旋光束涡旋强度测量方法。测量装置包括涡旋光产生模块，用于生成待测涡旋光；移频模块，用于改变参考光波的频率；干涉模块，用于待测涡旋光与参考光的干涉；成像装置，用于接收干涉条纹信息，并传输至计算机进行数据处理以及涡旋强度计算。本发明通过计算涡旋光束相位分布实现涡旋强度的测量，是一种新型的测量方法，检测所需元件简便易得，并且能够实现指定区域涡旋光束总涡旋强度的准确测量。

Description

涡旋光束的涡旋强度测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种涡旋光束的涡旋强度测量方法，具体为一种基于低频外差干涉仪的涡旋光束相位分布分析法来实现涡旋强度的测量装置与方法。
背景技术
具有相位奇异性且携带轨道角动量的涡旋光束拥有广阔的应用前景，既可以用于微小粒子的旋转、捕获，也可用于光学加工、量子通信等领域。涡旋光束的涡旋强度与其光场的轨道角动量相关，不仅决定了其与物质相互作用的能力，也在光通信领域中反映了涡旋光束的信息储存容量和传输稳定性。因此对于涡旋强度的测量具有重要的意义。
目前的现有研究中，对涡旋光束涡旋强度的测量主要分为衍射法和干涉法，对于衍射法，一般通过观察涡旋光束通过狭缝、针孔等光学元件后形成的衍射图案来测量涡旋光束的涡旋强度，然而考虑到光学元件的缺陷以及背景光的影响，这类方法不能实现对涡旋强度的精确测量，尤其是具有分数阶拓扑荷的涡旋光。对干涉法，通过计算涡旋光束的相位分布可以实现涡旋强度的准确测量。然而传统的基于傅里叶变换或基于相移干涉的干涉法对光路系统的搭建要求极高，使得实验难度和实验条件大大增加。此外，由于涡旋光束具有相位奇异性，相位展开算法在用于涡旋光束时存在一定的局限性。因此，我们需要一种精确、有效且容易实现的涡旋强度测量方法。
为了弥补现有技术的缺陷，本发明提出了一种基于低频外差干涉仪的涡旋强度测量方法，该方法相比于上述的方法具有高精度，低成本，易实现的优点，并且可以用于分数阶涡旋光束的测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于计算涡旋光束相位分布的涡旋强度测量方法，该方法利用常见的圆光栅作为低频外差干涉仪的移频器件，通过计算涡旋光束的相位分布实现涡旋强度的测量，该方法具有高精度、低成本的特性。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于低频外差干涉仪的涡旋强度测量装置，包括涡旋光产生模块，用于生成待测涡旋光；移频装置，用于改变参考光波的频率；干涉模块，用于待测涡旋光与参考光的干涉；成像装置，用于接收干涉条纹信息，并传输至计算机进行相位以及涡旋强度计算。
所述的涡旋光产生模块包括一连续激光器，连续激光器的输出光通过分光棱镜后其中一束光进入待测光路，通过一反射镜调整传输方向后入射到螺旋相位板上，生成具有一定涡旋强度的涡旋光束。
所述的移频装置为匀速旋转的圆形光栅，连续激光器输出的光经过分光棱镜后，一束光进入参考光路，经过圆形光栅后发生衍射，使用光阑选取某一级次衍射光，通过控制圆形光栅的转速使参考光束频率发生适当的偏移。
所述的干涉模块为偏振片以及分光棱镜，偏振片用于调整参考光束和待测光束的偏振态，通过分光棱镜控制参考光束与待测光束之间的夹角，保证干涉条纹清晰可辨。
所述的成像装置为CMOS相机，用于接收干涉条纹图像，成像后传输至计算机进行相位及涡旋强度计算。
基于低频外差干涉仪的涡旋强度测量方法，具体的步骤为：
(1)将激光器、分光棱镜、圆形光栅、光阑、反射镜、CMOS相机和计算机按照上述装置布置好光路；
(2)将螺旋相位板加载到待测光路的涡旋光产生模块中；
(3)打开激光器的电源，其发出的基模高斯光束经过分光棱镜后分为待测光束和参考光束，其中参考光束经过匀速旋转的圆形光栅后频率产生偏移，通过光阑选取所需的衍射光级次，待测光束经过反射镜和螺旋相位板后生成涡旋光束，通过偏振片和分光棱镜调整光束的偏振态和传输方向，使两束光发生干涉，并将干涉条纹传输至CMOS相机中，记录完成后撤去待测光路中的螺旋相位板，在相同的实验条件下再一次进行无涡旋相位的干涉图像的记录，将两组图像储存至计算机；
(4)将步骤(3)中获得的两组干涉图样进行计算处理，分别得到包含涡旋相位分布和无涡旋相位分布的两张相位图，将两幅相位图相减，经处理后即可得到待测涡旋光束的相位分布。
(5)以步骤(4)中得到涡旋光束光场的中心为极坐标原点，以固定半径的像素进行采样，绘制相位分布随方位角变化的曲线，通过该曲线计算光束在2π方位角内的相位变化，即可计算待测涡旋光束的涡旋强度。
本发明的工作原理：
设通过螺旋相位板后的待测涡旋光束表达式为，
Figure BDA0003465440120000021
其中Ao、ω为待测光束的振幅和频率，
Figure BDA0003465440120000022
分别为涡旋光束相位和激光光源初始相位。而通过圆形光栅后的参考光束表达式为，
Figure BDA0003465440120000023
其中Ar为参考光束振幅，
Figure BDA0003465440120000024
为参考光束相位，Δω为圆形光栅所产生的频率偏移，Δω表达式为，
Δω＝±nNtR (3)
其中n为衍射光级次，Nt为圆光栅总线数，R为圆光栅转速。参考光束与待测光束发生干涉后，由CMOS相机记录的干涉图像强度分布表达式为，
Figure BDA0003465440120000025
通过计算我们可以得到该干涉图样对应的相位分布，同理，当撤去螺旋相位板后，由CMOS相机记录的干涉图样强度分布表达式为，
Figure BDA0003465440120000026
分别计算两组干涉图样的相位分布后进行相减，可以得到涡旋光束的相位分布
Figure BDA0003465440120000031
涡旋光束的涡旋强度定义为在方位角旋转一周内的相位变化与2π的比值，对于拓扑荷数为α的涡旋光束，固定半径r区域内的涡旋强度Sα在柱坐标下可以定义为，
Figure BDA0003465440120000032
其中(ρ,θ,z)为柱坐标系，通过将测量得到的相位分布
Figure BDA0003465440120000033
代入(6)式计算，即可得到涡旋光束在指定区域内的涡旋强度。
本发明的方法能够实现涡旋强度的测量，与现有技术相比，本发明的特点在于检测元件的简便和易得，并且能够做到精确检测各种涡旋光束的涡旋强度，从而可以广泛应用于量子通信，粒子操纵等领域的轨道角动量测量。
附图说明
图1为发明中的测量装置结构示意图；
图中：1-激光器，2-分光棱镜，3-圆形光栅，4-光阑，5-偏振片，6-反射镜，7-反射镜，8-螺旋相位板，9-偏振片，10-分光棱镜，11-CMOS相机，12-计算机；
图2为拓扑荷数α＝3的涡旋光束涡旋强度的测量结果，其中子图(a)～(d)分别为理论模拟与实际测量的涡旋光束相位分布、以及相应的涡旋光束相位变化曲线，由该曲线可以计算出该涡旋光束的涡旋强度为Sα＝3，且与理论结果吻合；
图3为拓扑荷数α＝-1.7的涡旋光束测量结果，其中子图(a)～(d)分别为理论模拟与实际测量的涡旋光束相位分布、以及相应的涡旋光束相位变化曲线，由该曲线可以计算出该涡旋光束的涡旋强度为Sα＝-2，且与理论结果吻合。
具体实施方式
本发明为一种基于低频外差干涉仪的涡旋光束涡旋强度测量方法，该方法可以适用于不同阶数的涡旋光束，下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
图1是本发明所述一种涡旋光束涡旋强度测量的装置示意图，如图1所示，激光器1发出波长为633nm的激光通过分光比为50:50的分光棱镜2后被分为参考光束和待测光束，其中参考光束经过圆光栅3，该实例中圆光栅总线数为1024，转速为0.01r/s，参考光束经过圆光栅后其+1级衍射光被光阑4选取，频率偏移10Hz，在通过偏振片5和反射镜6调整偏振态和传输方向后入射至分光棱镜10处。待测光束经过螺旋相位板8后变为涡旋光，本实例中螺旋相位板加载的相位为拓扑荷α＝3的涡旋相位分布，待测涡旋光束经偏振片9调整偏振态后在分光棱镜10处与参考光发生干涉，干涉图样由CMOS相机11记录并传输至计算机12进行处理，包裹相位计算完成后，撤去螺旋相位板8并重复上述计算过程，将得到的两组结果相减后最终得到拓扑荷α＝3的涡旋光束相位分布，如图2(b)所示，以中心作为极坐标原点，半径为180像素进行采样，得到相位变化曲线，如图2(d)所示，通过实验测量结果与模拟数值计算结果图2(a)、(c)的对比可以验证该方法的准确性。最终从图2(d)计算出该光束的涡旋强度Sα＝3。
实施例2：
本实施例进行分数阶涡旋光束的涡旋强度测量，将拓扑荷α＝-1.7的螺旋相位板放入待测光路中，在其余实验条件均与实施例1相同的情况下进行测量，并将测量结果与模拟结果进行对比，如图3所示。从图3中可以看出，测量结果与模拟结果完全吻合，最终通过图3(d)计算出该光束的涡旋强度Sα＝-2。
综上所述，本发明能够实现涡旋光束涡旋强度的高精度测量，并且能够适用于具有复杂相位分布的多拓扑荷涡旋光束。

Claims (7)

1.一种基于低频外差干涉仪的涡旋光束涡旋强度测量装置，其特征在于，包括：
涡旋光产生模块，用于产生待测涡旋光；干涉模块，用于待测涡旋光与参考光的干涉；
移频模块，用于改变参考光波的频率；成像装置(11)，用于接收干涉条纹信息，并传输至计算机(12)进行处理和计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于低频外差干涉仪的涡旋光束涡旋强度测量装置，其特征在于，所述的移频装置为匀速旋转的圆形光栅(3)，连续激光器(1)经过分光棱镜(2)后，透射光进入参考光路，经过圆形光栅(3)发生衍射，须使用光阑(4)选取+1级或-1级衍射光，并且光栅转速在0.005r/s到0.01r/s之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于低频外差干涉仪的涡旋光束涡旋强度测量装置，其特征在于，所述的CMOS相机(11)采集图像的频率须大于20FPS，保证干涉条纹的变化过程能够被完整记录。
4.根据权利要求3所述的一种基于低频外差干涉仪的涡旋光束涡旋强度测量装置，其特征在于，所述的CMOS相机(11)与螺旋相位板距离须在0.1到1个瑞利距离之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于低频外差干涉仪的涡旋光束涡旋强度测量装置，其特征在于，通过计算机(12)处理干涉图样后，得到的涡旋相位分布和无涡旋相位分布的包裹相位图，须在不进行相位展开的情况下将两幅相位图相减，再对所得结果进行相位展开，保证涡旋光本身存在的相位跳变与包裹相位的相位跳变能够被区分。
6.根据权利要求5所述的一种基于低频外差干涉仪的涡旋光束涡旋强度测量装置，其特征在于，通过相位分布计算涡旋强度时，采样区域须以涡旋光束光场的中心为原点，且面积在0.5到1个光场之内，保证测量区域的所有相位奇点都被包括在内。
7.根据权利要求1-6所述的一种基于低频外差干涉仪的涡旋光束涡旋强度的测量装置及其测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤(1)将激光器、分光棱镜、圆形光栅、光阑、反射镜、CMOS相机和计算机按照上述装置布置好光路；
步骤(2)将螺旋相位板加载到待测光路的涡旋光产生模块中；
步骤(3)打开激光器与移频装置的电源，通过偏振片和分光棱镜调整参考光束与待测光束的偏振态和传输方向，使两束光发生干涉，由CMOS相机记录干涉条纹图样，记录完成后撤去待测光路中的螺旋相位板，在相同的实验条件下再一次进行干涉图像的记录，将两组图像储存至计算机；
步骤(4)将两组干涉图样进行计算处理，分别得到包含涡旋相位分布和无涡旋相位分布的相位图，将两幅相位图相减并进行相位展开处理，得到待测涡旋光束的相位分布；
步骤(5)以涡旋光束光场的中心为极坐标原点，以固定半径对涡旋光束的相位分布进行采样，绘制相位分布随方位角变化的曲线，通过公式(6)计算待测涡旋光束在所选区域的涡旋强度。
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