CN205300777U - 基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置 - Google Patents

Abstract

基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置，包括一连续波激光器；所述连续波激光器发出光束的前进方向设有针孔滤波器，经针孔滤波器后的光束前进方向依次设有凸透镜Ⅰ、小孔光阑Ⅰ，起偏器和反射式空间光调制器，经反射式空间光调制器反射后产生的光束，其前进方向上依次设有检偏器、小孔光阑Ⅱ、凸透镜Ⅱ和CCD相机，通过相位补偿使空间光调制器中黑栅产生的衍射正负一级在CCD相机中干涉成像，其干涉条纹图像传输到计算机进行处理。该装置通过利用傅里叶变换的平移性进而省去外部干涉光学元件（道威棱镜及相应辅助元件），可以简便的测量完美涡旋光束任意整数阶拓扑荷值。

Description

基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置

技术领域

本实用新型涉及微粒光操纵和光学测试领域，具体的说是一种基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置。

背景技术

完美涡旋光束在磁环光纤激发轨道角动量模式、光学诱捕、操纵微小粒子、光镊及光扳手等方面有着广泛的应用。2013年，AndreyS.Ostrovsky等人提出了完美涡旋的概念，该涡旋光束亮环半径不依赖于拓扑荷值[Opt.Lett.38,534,2013]，但该方法伴随完美涡旋光束均会产生额外的杂散光环。2015年，PravinVaity等通过对贝塞尔-高斯光束做傅里叶变换，从而获得无额外光环的整数阶完美涡旋[Opt.Lett.,40,597,2015]。涡旋光束的拓扑荷携带光信息量、且能提供更精细化的微粒操作，成为涡旋光学领域众多研究者竞相研究的热点课题。

涡旋光束的测量方法主要有干涉测量和衍射测量。其中，P.Vaity利用倾斜双凸镜迈克尔逊干涉光路测量了整数阶涡旋[Opt.Lett.37,1301,2012]，通过数干涉亮条纹数量可测量拓扑荷值为14以内的涡旋光束；而典型的衍射测量方法有三角孔衍射法，该方法可测量7以内的拓扑荷值[Opt.Lett.36,787,2011]。

以上研究都是对涡旋光束拓扑荷的测量。而完美涡旋光束亮环半径不依赖于拓扑荷值，因此如何使用简便有效的实验装置测量完美涡旋光束任意整数阶拓扑荷值的是该领域面临的一个亟待解决的难题。

实用新型内容

本实用新型解决了上述技术问题的不足，提供一种测量完美涡旋光束拓扑荷值的装置，该装置通过利用傅里叶变换的平移性进而省去外部干涉光学元件(道威棱镜及相应辅助元件)，可以简便的测量完美涡旋光束任意整数阶拓扑荷值。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置，包括一连续波激光器；所述连续波激光器发出光束的前进方向设有针孔滤波器，经针孔滤波器后的光束前进方向依次设有凸透镜Ⅰ、小孔光阑Ⅰ，起偏器和反射式空间光调制器，经反射式空间光调制器反射后产生的光束，其前进方向上依次设有检偏器、小孔光阑Ⅱ、凸透镜Ⅱ和CCD相机，通过相位补偿使空间光调制器中黑栅产生的衍射正负一级在CCD相机中干涉成像，其干涉条纹图像传输到计算机进行处理。

所述的反射式空间光调制器、CCD相机分别与计算机连接。

所述的针孔滤波器与凸透镜Ⅰ间的距离为凸透镜Ⅰ的焦距；所述的反射式空间光调制器置于凸透镜Ⅱ的前焦平面上；所述的CCD相机置于凸透镜Ⅱ的后焦平面上。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型不需要对光进行分束，且省去外部干涉光学元件(道威棱镜及相应辅助元件)，简化了光路；实现整数阶涡旋光束拓扑荷值的测量；本实用新型装置具有原理简洁、成本低廉、参数可实时在线调节且易于操作等优点。

附图说明

图1是本实用新型完美涡旋光束产生装置的装置原理图。

图中标记：001、激光器，002、针孔滤波器，003、凸透镜Ⅰ，004、小孔光阑Ⅰ，005、起偏器，006、反射式空间光调制器，007、检偏器，008、小孔光阑Ⅱ，009、凸透镜Ⅱ，010、CCD相机，011、计算机。

图2为计算机记录的拓扑荷值分别为3、4、9、10的完美涡旋光束正负1级干涉强度图，其中，中间亮点为衍射零级亮斑。

具体实施方式

如图所示，基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置，包括一连续波激光器001；所述连续波激光器001发出光束的前进方向设有针孔滤波器002，经针孔滤波器002后的光束前进方向依次设有凸透镜Ⅰ003、小孔光阑Ⅰ004，起偏器005和反射式空间光调制器006，经反射式空间光调制器006反射后产生的光束，其前进方向上依次设有检偏器007、小孔光阑Ⅱ008、凸透镜Ⅱ009和CCD相机010，通过相位补偿使空间光调制器006中黑栅产生的衍射正负一级在CCD相机010中干涉成像，其干涉条纹图像传输到计算机011进行处理。

所述的反射式空间光调制器006、CCD相机010分别与计算机011连接；所述的针孔滤波器002与凸透镜Ⅰ003间的距离为凸透镜Ⅰ003的焦距；所述的反射式空间光调制器006置于凸透镜Ⅱ009的前焦平面上；所述的CCD相机010置于凸透镜Ⅱ009的后焦平面上。

实施例一

如附图1所示，基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置，包括一连续波激光器001，该实施例中连续波激光器001选择波长为534nm，功率为50mW的固体激光器；该连续波激光器001发出的光束进入针孔滤波器002，然后经凸透镜Ⅰ003准直，准直后的光束经小孔光阑Ⅰ004、起偏器005后变为线偏振光，照射在反射式空间光调制器006上；

经反射式空间光调制器006反射后产生的光束，其前进方向上依次设有检偏器007、小孔光阑Ⅱ008、凸透镜Ⅱ009和CCD相机010，通过相位补偿使空间光调制器006中黑栅产生的衍射正负一级在CCD相机010中干涉成像，其干涉条纹图像传输到计算机011进行处理；

所述的反射式空间光调制器006、CCD相机010分别与计算机011连接；所述的针孔滤波器002与凸透镜Ⅰ003间的距离为凸透镜Ⅰ003的焦距；所述的反射式空间光调制器006置于凸透镜Ⅱ009的前焦平面上；所述的CCD相机010置于凸透镜Ⅱ009的后焦平面上。

利用光强分析的涡旋光束拓扑荷值测量装置的测量方法，包括以下步骤:

步骤一、利用计算全息技术，通过对经过锥透镜的涡旋光束进行相位调制，与平面波干涉形成光强图写入反射式空间光调制器006中；具体过程如下：

平面波的电场表示为：

E_p＝E₀exp(-ikz)

其中，E₀表示振幅强度，k表示波数，z表示传播距离；

垂直入射到锥透镜上的涡旋光束的电场表示为：

$E_0(r,\mathrm{\θ})=A_0{\left(\frac{r^2}{{w_0}^2}\right)}^{\left|\frac{m}{2}\right|}\×\exp \left(\frac{-r^2}{w_0^2}\right)\×\exp \left(jm\mathrm{\θ}\right)$

其中，A₀为振幅常数，w₀为束腰半径，m为拓扑荷数，取整数；j为虚数单位；

锥透镜的复振幅透过率函数为：

$t\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}\exp \[-jk\left(n-1\right)r\mathrm{\α}\],& (r\≤R)\\ 0,& (r>R)\end{array}\right.$

式中，n为锥透镜材料折射率，α为锥透镜的锥角；k为波数，R为锥透镜光瞳半径；

涡旋光束经过锥透镜后与平面波干涉并进行相移后的复振幅分布为：

$E_1=E_0(r,\mathrm{\θ})*t\left(r\right)*\exp \left(2\mathrm{\π}j\frac{200x_0}{N}\right)+E_p;$

将E₁的光强图写入空间光调制器006中。

步骤二、打开连续波激光器001的电源，连续波激光器001发出的光束进入针孔滤波器002，然后经凸透镜Ⅰ003准直，准直后的光束经小孔光阑Ⅰ004、起偏器005后变为线偏振光，照射在反射式空间光调制器006上；

步骤三、照射在反射式空间光调制器006上的光束用来衍射再现贝塞尔-高斯光束；衍射再现的贝塞尔-高斯光束经过检偏器007及小孔光阑Ⅱ008后，照射在凸透镜Ⅱ009上进行傅里叶变换生成完美涡旋光束；

步骤四、所述的完美涡旋光束在CCD相机010中成像后，通过调节相移因子，使得由计算全息技术衍射生成的正负一级完美涡旋进行干涉。利用计算机011对干涉图样进行后续分析；

步骤五、由干涉图样分析可知：干涉的螺旋亮条纹分布具有圆对称性，则利用公式m＝n/2，求得涡旋光束的拓扑荷值，其中，m为拓扑荷值，n为螺旋亮条纹个数；图2为实验得到的预设拓扑荷值分别为3、4、9、10正负一级完美涡旋干涉实验图，通过数图中的螺旋形亮条纹，其亮条纹数分别为6、8、18、20，代入公式m＝n/2求得拓扑荷为3、4、9、10，从而验证了该方法可以实现整数阶完美涡旋光束拓扑荷值的测量。

Claims (4)

1.基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置，其特征在于：包括一连续波激光器（001）；所述连续波激光器（001）发出光束的前进方向设有针孔滤波器（002），经针孔滤波器（002）后的光束前进方向依次设有凸透镜Ⅰ（003）、小孔光阑Ⅰ（004），起偏器（005）和反射式空间光调制器（006），经反射式空间光调制器（006）反射后产生的光束，其前进方向上依次设有检偏器（007）、小孔光阑Ⅱ（008）、凸透镜Ⅱ（009）和CCD相机（010），通过相位补偿使反射式空间光调制器（006）中黑栅产生的衍射正负一级在CCD相机（010）中干涉成像，其干涉条纹图像传输到计算机（011）进行处理；

所述的反射式空间光调制器（006）、CCD相机（010）分别与计算机（011）连接。

2.根据权利要求1所述的基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置，其特征在于：所述的针孔滤波器（002）与凸透镜Ⅰ（003）之间的距离为凸透镜Ⅰ（003）的焦距。

3.根据权利要求1所述的基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置，其特征在于：所述的反射式空间光调制器（006）置于凸透镜Ⅱ（009）的前焦平面上。

4.根据权利要求1所述的基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置，其特征在于：所述的CCD相机（010）置于凸透镜Ⅱ（009）的后焦平面上。