CN115356000B - 一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法及装置 - Google Patents
一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法，包括：获取部分相干贝塞尔‑高斯涡旋光束，基于部分相干贝塞尔‑高斯涡旋光束，获得未加入摄动聚焦后光束的第一光强，在所需平面上的部分相干贝塞尔‑高斯涡旋光束分别添加位置相同，摄动不同的第二摄动点和第三摄动点，获得聚焦后光束的第二光强和第三光强，将所述第一光强分别与所述第二光强和所述第三光强作差后，通过逆傅里叶变换得交叉谱密度函数，利用所述交叉谱密度函数得交叉谱密度相位图，测量出部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷数和所述拓扑荷数正负性，实现了应用于低相干度光束的拓扑荷测量，且其测量准确度不随相干度变化而变化，解决了无法测量拓扑荷数正负的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及涡旋光通信技术领域，特别是涉及一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法及装置。
背景技术
贝塞尔-高斯涡旋光束是一种带有贝塞尔-高斯包络的涡旋光束，在这种涡旋光束中的光子都携带着大小为
的轨道角动量，其中l为涡旋光束的拓扑荷数，其源场的光束的光强分布与拓扑荷数(l)以及径向波数(kr)有关。若其拓扑荷数为0，其中心光斑呈现出类似于高斯光束的分布，并伴随有着较暗的同心光环；当拓扑荷数不为0时，源场的光强分布呈空心光状并伴随有着较暗的同心光环；径向波数kr将决定光束第一暗环的半径。当贝塞尔-高斯光束传输到焦场时会生成近似完美涡旋光束，即其焦场光强分布与环型半径仅仅会随光束的拓扑荷数变化而发生极其微小的变化，因此贝塞尔-高斯涡旋光束可以携带较大的拓扑荷数同时光强半径发生不明显的变化，此外贝塞尔-高斯光束具有自修复特性与近似无衍射性，在粒子微操作、光学成像以及量子通讯领域具有较高的价值。
在完全相干的条件下，贝塞尔-高斯涡旋光束在焦场会形成一个空心的光环，通过取其电场的辐角获得的相位图可以发现其相位分布呈现螺旋状分布并且在相位汇聚的这个点处的光强为0，由于这个汇聚点的相位大小无法定义，因此被叫做相位奇点，过去十几年内，针对完全相干光的拓扑荷数测量技术主要着眼于干涉法、衍射法以及傅里叶变换法；当光束的空间相干度的降低，中心光斑的数值不再为0，其与完全相干时定义相同的相位奇点不再存在，因此传统的拓扑荷数测量方法将不再适用。但是Palacio等人在2004年证实了相干奇点的存在，在随后的研究中，科学家们通过拉盖尔高斯涡旋光束证明了其交叉谱密度存在与光束的拓扑荷数相当环型位错。由于部分相干光的相干性较完全相干光有所降低，其在抗湍流、消除散斑以及提高信噪比等领域比完全相干光具有较大的优势。正是由于部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束结合了贝塞尔-高斯光束的自修复以及近似无衍射特性与部分相干光抗湍流、消除散斑等优点，对于部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷数及其正负的测量有着及其重要的意义。
由于贝塞尔-高斯涡旋光束在焦平面上的光斑可以认为是一种近似的完美涡旋光束，若使用傅里叶变换法，其光强的傅里叶变换将退化为近似0阶贝塞尔函数分布，因此光强傅里叶分析法无法正确反应出贝塞尔-高斯涡旋光束的正确拓扑荷；此外，随着空间相干度的降低，光束的衍射与干涉现象将逐渐不再明显，因此依赖干涉与衍射原理所实现的拓扑荷数测量方法将逐渐失效。在低相干条件下，部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束在焦平面的交叉谱密度与复相干度呈现环型位错的形状，其环形位错的数量与拓扑荷数相等，但是此种方法无法测量光束的拓扑荷数正负，此外，部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束在自由空间传输时，接收平面(待测平面)的交叉谱密度与复相干度的环型位错个数与拓扑荷数暂未发现定量对应关系，因此观察环型位错的方法并不适用于部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束的拓扑荷数测量。
综上所述可知，如何测量部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷数以及测量拓扑荷数正负性是目前亟待解决的科学问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法及装置，以解决现有技术中不能测量部分相关贝塞尔高斯涡旋光束的拓扑荷数与正负性的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法，包括：
获取部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束；
基于所述部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束，获得未加入摄动聚焦后光束的第一光强；
在所需平面上的部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束分别添加位置相同，摄动不同的第二摄动点和第三摄动点，获得聚焦后光束的第二光强和第三光强；
将所述第一光强分别与所述第二光强和所述第三光强作差后，通过逆傅里叶变换得交叉谱密度函数；
利用所述交叉谱密度函数得交叉谱密度相位图，测量出部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷数和所述拓扑荷数正负性。
优选地，所述获取部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束在源平面的交叉谱密度表达式为：
其中，l为光束的拓扑荷数，kr为光束的径向波数，w0为光束在源平面的束腰宽度，Jl(·)为第一类贝塞尔函数，i为虚数单位，σ0为部分相干光的相干宽度，R1，R2为源平面的矢量极坐标系，r1，r2，θ1，θ2为源平面的标量极坐标系，r1，r2分别为R1，R2的径向分量，θ1，θ2分别为R1，R2的角向分量，W0(R1，R2，0)为源平面的交叉谱密度，*为共轭符号。
优选地，所述基于所述部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束，获得未加入摄动聚焦后光束的第一光强，所述第一光强表达式为：
I0(ρ)＝∫∫W(u1，u2，z)exp(-2πiρ(u1-u2))du1du2
其中，u1，u2为待测平面的矢量极坐标系，z为传输距离，ρ为焦场平面的矢量极坐标系，W(u1，u2，z)为传输距离为z时的交叉谱密度。
优选地，所述利用空间光调制器在所需平面上的部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束分别添加位置相同，摄动不同的第二摄动点和第三摄动点，获得聚焦后光束的第二光强和第三光强，所述第二光强表达式为：
I1(ρ)＝I0(ρ)+|C1|2W(u0，u0，z)+∫W(u0+u，u0，z)C1 *exp(-2πiρu)du+∫W(u0，u0-u，z)C1 exp(-2πiρ(-u))d(-u)
其中，u为待测平面的矢量极坐标系，并在待测平面u0点处加入相位摄动，z为传输距离，ρ为焦场平面的矢量极坐标系，I0(ρ)为第一光强，i为虚数单位，C1为复相位摄动常数，
所述第三光强表达式为：
I2(ρ)＝I0(ρ)+|C2|2W(u0，u0，z)+∫W(u0+u，u0，z)C2 *exp(-2πiρu)du+∫W(u0，u0-u，z)C2 exp(-2πiρ(-u))d(-u)
其中，C2为复相位摄动常数，
优选地，所述将所述第一光强分别与所述第二光强和所述第三光强作差后，通过逆傅里叶变换得交叉谱密度函数包括：
将所述第一光强与所述第二光强作差并进行逆傅里叶变换，得：F-1(I1(ρ)-I0(ρ))＝W(u0+u，u0，z)C1 *+W(u0，u0-u，z)C1 (1)
其中，F-1为逆傅里叶变换，I0(ρ)为第一光强，I1(ρ)为第二光强，u0，u为待测平面，z为传输距离，C1为复相位摄动常数，
将所述第一光强与所述第三光强作差，得：
F-1(I2(ρ)-I0(ρ))＝W(u0+u，u0，z)C2 *+W(u0，u0-u，z)C2 (2)
其中，I2(ρ)为第三光强，C2为复相位摄动常数，
将所述公式(1)与所述公式(2)合并计算，得交叉谱密度函数，所述交叉谱密度函数表达式为：
优选地，所述利用所述交叉谱密度函数得交叉谱密度相位图，测量出部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷数和所述拓扑荷数正负性包括：
基于所述交叉谱密度相位函数求得辐角，得到所述交叉谱密度相位函数的相位图；
通过所述交叉谱密度相位函数的相位图，获得传输平面光束的相位奇点，测量出部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷数；
利用所述交叉谱密度函数相位旋转方向，得所述拓扑荷数正负性。
优选地，一种实现如上述任一项所述方法的部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量装置，包括：部分相干贝塞尔高斯涡旋光束生成装置，用于生成部分相干贝塞尔高斯涡旋光束；
相机，用于采集光强信息；
空间光调制器，用于在所需平面上的部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束添加相位摄动信息；
分束镜，用于将光束分为两束光；
优选地，所述部分相干贝塞尔高斯涡旋光束生成装置包括依次布置的激光器、第一透镜、旋转毛玻璃、第二透镜、高斯滤波片、锥透镜、第一空间光调制器；
所述激光器产生光束，通过所述旋转毛玻璃控制光束的横向相干宽度；
利用所述高斯滤波片控制光束的初始束腰宽度，光束照射至所述锥透镜，生成拥有近似0阶贝塞尔-高斯包络的无涡旋相位的部分相干光；
所述无涡旋相位的部分相干光通过加载有涡旋相位全息图的所述第一空间光调制器，生成的光束为部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述的部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法的步骤。
本发明所提供的一种部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷测量方法，通过获取加入不同相位摄动常数的光强，对所述加入不同相位摄动常数的光强做差值处理，利用逆傅里叶变换后，得交叉谱密度函数与摄动后光强之间的关系式，最终解得交叉谱密度函数，实现了应用于低相干度光束的拓扑荷测量，且其测量的准确度不随相干度变化而变化，解决了无法测量拓扑荷数正负的缺点。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷测量的方法的第一种具体实施例的流程图；
图2为部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷测量装置图；
图3为不同拓扑荷数的非共轴参考点交叉谱密度函数及其相位分布理论图；
图4为不同传输距离的非共轴参考点交叉谱密度函数及其相位分布理论图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷测量方法，通过加入相位摄动后的光强做差值处理得交叉谱密度函数与摄动后光强之间的关系式，实现了低相干度光束的拓扑荷测量，且其测量的准确度不随相干度变化而变化。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
请参考图1，图1为本发明所提供的一种部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷测量方法的第一种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S101：获取部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束；
所述获取部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束在源平面的交叉谱密度表达式为：
其中，l为光束的拓扑荷数，kr为光束的径向波数，w0为光束在源平面的束腰宽度，Jl(·)为第一类贝塞尔函数，i为虚数单位，σ0为部分相干光的相干宽度，R1,R2为源平面的矢量极坐标系，r1,r2,θ1,θ2为源平面的标量极坐标系(分别为R1,R2的径向与角向分量)，W0(R1,R2,0)为源平面的交叉谱密度，*为共轭符号。
理论上通过柯林斯传输公式，可得待测平面的交叉谱密度函数，其表达式为：
其中，z为传输距离，u1,u2为待测平面的矢量极坐标系，v1，v2，
为待测平面的标量极坐标系(第二空间光调制器处的极坐标系，分别为u1，u2在径向与角向的分量)，λ为该光束的波长，k为光束的波数；
步骤S102：基于所述部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束，获得未加入摄动聚焦后光束的第一光强；
所述第一光强表达式为：
I0(ρ)＝∫∫W(u1，u2，z)exp(-2πiρ(u1-u2))du1du2
其中，ρ为焦场平面的矢量极坐标系，u1，u2为待测平面的矢量极坐标系，z为传输距离。
步骤S103：在所需平面上的部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束分别添加位置相同，摄动不同的第二摄动点和第三摄动点，获得聚焦后光束的第二光强和第三光强；
所述第二光强表达式为：
I1(ρ)＝∫∫W(u1，u2，z)T(u1)T(u2)*exp(-2πiρ(u1-u2))du1 du2＝∫∫W(u1，u2，z)×(1+C1δ(u1-u0))×(1+C1δ(u2-u0))*×exp(-2πiρ(u1-u2))du1 du2＝I0(ρ)+|C1|2W(u0，u0，z)+∫W(u0+u，u0，z)C1 *exp(-2πiρu)du+∫W(u0，u0-u，z)C1 exp(-2πiρ(-u))d(-u)
其中，ρ为焦场平面的矢量极坐标系，I0(ρ)为第一光强，T(·)为孔径函数，可写为1+Cδ(u1-u0)，δ(·)为狄克拉函数，u1，u2，u为待测平面的矢量极坐标系，在待测平面u0点处加入相位摄动，z为传输距离，i为虚数单位，C1为复相位摄动常数，
*为共轭符号；
所述第三光强表达式为：
I2(ρ)＝∫∫W(u1，u2，z)T(u1)T(u2)*exp(-2πiρ(u1-u2))du1 du2＝∫∫W(u1，u2，z)×(1+C2δ(u1-u0))×(1+C2δ(u2-u0))*×exp(-2πiρ(u1-u2))du1 du2＝I0(ρ)+|C2|2W(u0，u0，z)+∫W(u0+u，u0，z)C2 *exp(-2πiρu)du+∫W(u0，u0-u，z)C2 exp(-2πiρ(-u))d(-u)
其中，C2为复相位摄动常数，
步骤S104：将所述第一光强分别与所述第二光强和所述第三光强作差后，通过逆傅里叶变换得交叉谱密度函数；
将所述第一光强与所述第二光强作差并进行逆傅里叶变换，得：
F-1(I1(ρ)-I0(ρ))＝W(u0+u，u0，z)C1 *+W(u0，u0-u，z)C1 (1)
其中，F-1为逆傅里叶变换，I0(ρ)为第一光强，I1(ρ)为第二光强，u为待测平面的矢量极坐标系，在待测平面的u0点处加入相位摄动，z为传输距离，C1为复相位摄动常数，
*为共轭符号；
将所述第一光强与所述第三光强作差并进行逆傅里叶变换，得：
F-1(I2(ρ)-I0(ρ))＝W(u0+u，u0，z)C2 *+W(u0，u0-u，z)C2 (2)
其中，I2(ρ)为第三光强，C2为复相位摄动常数，
将所述公式(1)与所述公式(2)合并计算，得交叉谱密度函数，所述交叉谱密度函数表达式为：
此时，在待测平面u0处加入相位摄动点，式中C为复相位摄动常数，分别取3个不同的复相位摄动常数C(即C0＝1、
以及/>
)，拍摄得到三份添加过不同相位摄动常数的光强I0(ρ)、I1(ρ)以及I2(ρ)，其中复相位摄动常数为1时，得到的光强与不加摄动点时光强一致，式中ρ为该光束在焦场平面的矢量极坐标系。
步骤S105：利用所述交叉谱密度函数得交叉谱密度相位图，测量出部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷数和所述拓扑荷数正负性。
基于所述交叉谱密度相位函数求得辐角，得到所述交叉谱密度相位函数的相位图；
通过所述交叉谱密度相位函数的相位图，获得传输平面光束的相位奇点，测量出部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷数；
利用所述交叉谱密度函数相位旋转方向，得所述拓扑荷数正负性。
本实施例的目的旨在通过使用自由空间传输平面的交叉谱密度函数获得光束的拓扑荷数及其正负，但是CCD仅能获取光束在各个平面的光强信息，而不能获得交叉谱密度函数信息，因此我们需要利用摄动法获得光束在传输平面的交叉谱密度函数。
本实施例提供了一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法，通过利用摄动法获取光束在传输平面的交叉谱密度函数，利用逆傅里叶变换后，得交叉谱密度函数与摄动后光强之间的关系式，最终解得交叉谱密度函数，实现了应用于低相干度光束的拓扑荷及其正负性的测量。
请参考图2，图2为本发明所提供的一种部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷测量装置图，包括：
部分相干贝塞尔高斯涡旋光束生成装置，用于生成部分相干贝塞尔高斯涡旋光束，所述部分相干贝塞尔高斯涡旋光束生成装置包括依次布置的激光器、第一透镜、旋转毛玻璃、第二透镜、高斯滤波片、锥透镜、第一空间光调制器；
所述激光器产生光束，通过所述旋转毛玻璃控制光束的横向相干宽度；
利用所述高斯滤波片控制光束的初始束腰宽度，光束照射至所述锥透镜，生成拥有近似0阶贝塞尔-高斯包络的无涡旋相位的部分相干光；
所述无涡旋相位的部分相干光通过加载有涡旋相位全息图的所述第一空间光调制器，生成的光束为部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束；
利用所述分束镜将所述部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束分为两束光，一束照射至第二空间光调制器，通过所述第二空间光调制器对传输平面上的光束添加相位摄动点，被摄动后的光束将透过第三透镜，在第一相机上留下光强信息；
另一束光束射入第二相机中，记录传输平面的光强信息；
基于所述第一相机与所述第二相机得到的光强信息，做差值处理，利用逆傅里叶变换后，得交叉谱密度函数与摄动后光强之间的关系式，最终解得交叉谱密度函数。实现了应用于低相干度光束的拓扑荷测量，且其测量的准确度不随相干度变化而变化，解决了无法测量拓扑荷数正负的缺点。
基于上述实施例，本实施例利用具体数据进行实验，具体如下：
第一空间光调制器：尺寸大小为1920*1080像素，像素大小为8μm。此空间光调制器为纯相位透射式空间光调制器，用于对部分相干光束加载涡旋相位，经过调制后生成部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束。
第二空间光调制器：尺寸大小为3840*2160像素，像素大小为3.74μm，此空间光调制器为纯相位透射式空间光调制器。首先需要对测量范围进行设置，即在空间光调制器上加载光栅，分离出中央区域和边缘区域，并选择对涡旋光的中央区域进行交叉谱密度函数的恢复，以此有效地摒除涡旋光周围的杂散光，测量范围的设置标准为：只去除摄动信息，涡旋光的主要信息在测量范围内，不可截损涡旋光束，因此，我们以中心点为圆心，r为半径的区域内设置测量范围，并且光路调整时将光束对准设置好的测量范围。其次，在第二空间调制器上，我们将加载摄动点，其复相位摄动常数分别设置为C0＝1、
以及
摄动点的位置位于待测平面坐标u＝u0,/>
处。此外，第一空间光调制器与第二空间光调制器之间的距离可认为是光束传输的距离，并且其到第三透镜的位置应等于第三透镜的焦距。
第一相机：尺寸大小2448*2050像素，像素大小为3.45μm。位于第三透镜的焦平面上，用于摄动后光束的傅里叶光强。
第二相机：尺寸大小1296*964像素，像素大小为3.74μm。位于分束镜反射面后与空间光调制器相同距离出。用于记录在此传输平面处部分相干涡旋光束的光强。
如图3所示，将传输距离(第一空间光调制器与第二空间光调制器之间的距离)设置为500mm，通过空间光调制器1设定部分相干贝塞尔-高斯光束的束腰宽度为1mm，相干宽度为0.25mm，径向波数为10；并且在空间光调制器1上加载拓扑荷数为1，2，3，-3等四种拓扑荷数的全息图。
如图4所示，为证明本实施例适用于任意的传输距离，我们将传输距离设置为250mm、500mm、750mm以及1500mm处三处，通过设置空间光调制器1的全息图得到束腰宽度为1mm、相干宽度为0.25mm、径向波数为10、拓扑荷数为2部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束。
正如实验结果所示，本实施例提供的一种部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷测量方法及装置，通过测量三次在传输平面上加载非共轴摄动的涡旋光束的傅里叶平面光强，计算非共轴参考点交叉谱密度函数的分布，采用测量部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束在传输平面处的非共轴参考点交叉谱密度函数可以有效的获取光束的拓扑荷数大小以及正负性，解决了无法测量拓扑荷数正负的缺点。
本发明具体实施例还提供了一种部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷测量设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述一种部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷测量方法的步骤。
本发明具体实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷测量方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的一种部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束拓扑荷测量方法及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法，其特征在于，包括：
获取部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束；
基于所述部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束，获得未加入摄动聚焦后光束的第一光强；
在所需平面上的部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束分别添加位置相同，摄动不同的第二摄动点和第三摄动点，获得聚焦后光束的第二光强和第三光强；
将所述第一光强分别与所述第二光强和所述第三光强作差后，通过逆傅里叶变换得交叉谱密度函数；
利用所述交叉谱密度函数得交叉谱密度相位图，测量出部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷数和所述拓扑荷数正负性。
2.如权利要求1所述一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法，其特征在于，所述获取部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束在源平面的交叉谱密度表达式为：
其中，l为光束的拓扑荷数，kr为光束的径向波数，w0为光束在源平面的束腰宽度，Jl(·)为第一类贝塞尔函数，i为虚数单位，σ0为部分相干光的相干宽度，R1,R2为源平面的矢量极坐标系，r1,r2,θ1,θ2为源平面的标量极坐标系，r1,r2分别为R1,R2的径向分量，θ1,θ2分别为R1,R2的角向分量，W0(R1,R2,0)为源平面的交叉谱密度，*为共轭符号。
3.如权利要求2所述一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法，其特征在于，所述基于所述部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束，获得未加入摄动聚焦后光束的第一光强，所述第一光强表达式为：
I0(ρ)＝∫∫W(u1,u2,z)exp(-2πiρ(u1-u2))du1du2
其中，u1,u2为待测平面的矢量极坐标系，z为传输距离，ρ为焦场平面的矢量极坐标系，W(u1，u2，z)为传输距离为z时的交叉谱密度。
4.如权利要求2所述一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法，其特征在于，所述利用空间光调制器在所需平面上的部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束分别添加位置相同，摄动不同的第二摄动点和第三摄动点，获得聚焦后光束的第二光强和第三光强，所述第二光强表达式为：
I1(ρ)＝I0(ρ)+|C1|2W(u0，u0，z)+∫W(u0+u，u0，z)C1 *exp(-2πiρu)du+∫W(u0，u0-u，z)C1exp(-2πiρ(-u))d(-u)
其中，u为待测平面的矢量极坐标系，并在待测平面u0点处加入相位摄动，z为传输距离，ρ为焦场平面的矢量极坐标系，I0(ρ)为第一光强，i为虚数单位，C1为复相位摄动常数，
所述第三光强表达式为：
I2(ρ)＝I0(ρ)+|C2|2W(u0，u0，z)+∫W(u0+u，u0，z)C2 *exp(-2πiρu)du+∫W(u0，u0-u，z)C2exp(-2πiρ(-u))d(-u)
其中，C2为复相位摄动常数，
/>
5.如权利要求2所述一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法，其特征在于，所述将所述第一光强分别与所述第二光强和所述第三光强作差后，通过逆傅里叶变换得交叉谱密度函数包括：
将所述第一光强与所述第二光强作差并进行逆傅里叶变换，得：
F-1(I1(ρ)-I0(ρ))＝W(u0+u，u0，z)C1 *+W(u0，u0-u，z)C1 (1)
其中，F-1为逆傅里叶变换，I0(ρ)为第一光强，I1(ρ)为第二光强，u0,u为待测平面，z为传输距离，C1为复相位摄动常数，
将所述第一光强与所述第三光强作差，得：
F-1(I2(ρ)-I0(ρ))＝W(u0+u，u0，z)C2 *+W(u0，u0-u，z)C2 (2)
其中，I2(ρ)为第三光强，C2为复相位摄动常数，
将所述公式(1)与所述公式(2)合并计算，得交叉谱密度函数，所述交叉谱密度函数表达式为：
6.如权利要求1所述一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法，其特征在于，所述利用所述交叉谱密度函数得交叉谱密度相位图，测量出部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷数和所述拓扑荷数正负性包括：
基于所述交叉谱密度相位函数求得辐角，得到所述交叉谱密度相位函数的相位图；
通过所述交叉谱密度相位函数的相位图，获得传输平面光束的相位奇点，测量出部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷数；
利用所述交叉谱密度函数相位旋转方向，得所述拓扑荷数正负性。
7.一种实现如权利要求1-6任一项所述方法的部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量装置，其特征在于，包括：
部分相干贝塞尔高斯涡旋光束生成装置，用于生成部分相干贝塞尔高斯涡旋光束；
相机，用于采集光强信息；
空间光调制器，用于在所需平面上的部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束添加相位摄动信息；
分束镜，用于将光束分为两束光。
8.如权利要求7所述一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量装置，其特征在于，所述部分相干贝塞尔高斯涡旋光束生成装置包括依次布置的激光器、第一透镜、旋转毛玻璃、第二透镜、高斯滤波片、锥透镜、第一空间光调制器；
所述激光器产生光束，通过所述旋转毛玻璃控制光束的横向相干宽度；
利用所述高斯滤波片控制光束的初始束腰宽度，光束照射至所述锥透镜，生成拥有近似0阶贝塞尔-高斯包络的无涡旋相位的部分相干光；
所述无涡旋相位的部分相干光通过加载有涡旋相位全息图的所述第一空间光调制器，生成的光束为部分相干贝塞尔-高斯涡旋光束。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述的部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述一种部分相干贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷测量方法的步骤。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
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| "部分相干涡旋光束研究进展";曾军 等;《光学学报》;第39卷(第1期);0126004-1-24页 * |
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