CN207280600U - 部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统，所述系统包括：部分相干光束传输路径上依次设置的将部分相干光束转化为携带相位因子的待测部分相干涡旋光束的涡旋相位板、用于对待测部分相干涡旋光束截取有效观测范围的光斑和对待测部分相干涡旋光束进行相位扰动并截取有效观测范围的光斑的空间光调制器、多孔阵列板、对穿过所述多孔阵列板的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别进行傅里叶变换的傅里变换单元、光强拍摄装置以及计算机。本实用新型结构合理，涡旋光束拓扑荷的测量处理过程过程简单、耗时极短。

Description

部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统。

背景技术

涡旋光束是一类具有涡旋型波前和中央暗核结构的特殊光束，其携带的相位因子exp(ilθ)决定了该光束的每一个光子具有的轨道角动量，其中l代表拓扑荷。近年来，光镊技术、光子计算、光数据存储和量子通信技术的发展正是得益于对涡旋光束轨道角动量的利用：轨道角动量可以被传递到微粒上并用以控制微粒平行移动和旋转。对两相互作用的涡旋光束的拓扑荷进行简单的算术操作以实现数值控制的目的。通过涡旋光束随传输距离所显现的不同衍射成像特性来对数据态进行分区，从而实现高数据存储。同时也可以对轨道角动量进行信息编码使其成为信息传输的载体。

高相干性是激光束的一个重要特性，但是经过后续研究人们发现当激光相干性降低时，光束同样可以保持激光原有特性(单色性、高亮度和高方向性等)，甚至在某些特定领域较高相干性激光束具有一定优势。比如，在自由光通信中提升信噪比和降低比特误差率、实现相干衍射成像和鬼成像等。随后，人们将“涡旋”引入到这种部分相干光，并用部分相干涡旋光束来描述这种低相干性涡旋光束。部分相干涡旋光束在自由空间光通信、光学捕获等领域比其对应的相干光束在某些方面具有一定的优势。比如，它会减弱大气湍流引起的光强闪烁的影响，它能在同一系统中同时捕获两种不同折射率(高、低折射率)的粒子等。

上述这些应用依赖于确定的轨道角动量或拓扑荷，而轨道角动量L与拓扑荷l之间有确定的数值对应关系，即根据这一对应关系可知测量出涡旋光束的拓扑荷，也就测量出其携带的轨道角动量，所以对涡旋光束、尤其是部分相干涡旋光束的拓扑荷的测量也就成为科研工作者关注的焦点。

现有拓扑荷测量系统目前都只适用于完全相干涡旋光束，对于部分相干涡旋光束并不完全适用。比如，待测涡旋光束相干度会影响其对应的空间频谱图的分布，当相干度降到一定值时，频谱图中的暗环数与拓扑荷数值的对应关系被打乱，甚至不会出现暗环，也就无法判断出拓扑荷大小。衍射图样和干涉图样也会随着相干度的降低而变得模糊不清，以致于不能通过对应的图样去判断拓扑荷数值或符号。

鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统，使其更具有产业上的利用价值。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种将待测对象从完全相干光扩展到部分相干光，不仅能测量拓扑荷数值大小，还能判断出拓扑荷符号，且现象直观明显，处理过程简单，不需要进行繁冗的数值求解，整个过程耗时极短的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统。

为达到上述目的，本实用新型部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，包括：部分相干光束传输路径上依次设置的将部分相干光束转化为携带相位因子的待测部分相干涡旋光束的涡旋相位板、用于对待测部分相干涡旋光束截取有效观测范围的光斑和对待测部分相干涡旋光束进行相位扰动并截取有效观测范围的光斑的空间光调制器、多孔阵列板、对穿过所述多孔阵列板的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别进行傅里叶变换的傅里变换单元、光强拍摄装置以及计算机；所述光强拍摄装置设置在傅里叶平面处，所述待测部分相干涡旋光束的计算机电连接所述的空间光调制器、光强拍摄装置。

2、根据权利要求1所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的方法，其特征在于，所述涡旋相位板为一块具有固定折射率的透明板，其中一端是规则的平面结构，另一端是一个类似旋转台阶的不规则螺旋面结构，螺旋面的厚度会随着方位角的增加而增加；产生的部分相干涡旋光束拓扑荷数值及符号由所述涡旋相位板的螺旋面结构决定。

进一步地，所述多孔阵列板为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔位于多个二维阵列孔围成的中心区域内，且所述参考孔的右边界距离其右侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δx，所述参考孔的下边界距离其下侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δy，其中，Δx＝Δy≠a/2，a是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔；所述参考孔对准入射的待测部分相干涡旋光束。

进一步地，所述多孔阵列板与空间光调制器之间的距离z≥aD/λ，其中，a 是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔，D是截取出的有效观测范围的光斑尺寸，λ是光源的波长；

进一步地，所述多孔阵列板为与计算机连接的透射式空间光调制器，通过计算机输出控制指令控制透射式空间光调制器来加载多孔阵列板；或所述多孔阵列板为由激光刻蚀制作而成的透光板。

进一步地，所述傅里变换单元为设置在多孔阵列和拍照装置之间的一傅里叶透镜；将傅里叶透镜距多孔阵列板的距离小于等于1mm；或使多孔阵列板位于傅里叶透镜的前焦面上。

进一步地，还包括分束镜，所述分束镜用于透射所述待测部分相干涡旋光束，并反射经由所述空间光调制器调制后的待测部分相干涡旋光束。

借由上述方案，本实用新型部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统至少具有以下优点：

本实用新型最终能够直接得到待测部分相干涡旋光束的拓扑荷结构分布，通过结构分布图能够直观、快捷的判定出拓扑荷数值的符号和大小，处理过程简单，不需要再做任何额外的计算和处理，整个过程耗时极短，几乎可以实现实时测量。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本实用新型提出的一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷测量装置的结构示意图；1、光源；2、涡旋相位板；3、分束镜；4、反射式空间光调制器；5、多孔阵列板；6、傅里叶透镜；7、电荷耦合器件；8、计算机；

图2是本实用新型所用的多孔阵列板(图1中的多孔阵列板5)的中心部分细节图；

图3是计算机恢复时使用的筛选阵列的中心部分细节图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本实施例部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统，包括：

部分相干光束传输路径上依次设置的将部分相干光束转化为携带相位因子的待测部分相干涡旋光束的涡旋相位板、用于对待测部分相干涡旋光束截取有效观测范围的光斑和对待测部分相干涡旋光束进行相位扰动并截取有效观测范围的光斑的空间光调制器、多孔阵列板、对穿过所述多孔阵列板的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别进行傅里叶变换的傅里变换单元、光强拍摄装置以及计算机；所述光强拍摄装置设置在傅里叶平面处，所述待测部分相干涡旋光束的计算机电连接所述的空间光调制器、光强拍摄装置。

如图1所示，各部件具体描述如下：

涡旋相位板：是一块具有固定折射率的透明板，其中一端是规则的平面结构，另一端是一个类似旋转台阶的不规则涡旋面结构，涡旋面的厚度会随着方位角的增加而增加；基本不会改变透射光束的光强，主要用于引入相位因子，将所述部分相干光转化为携带相位因子(即特定拓扑荷)的待测部分相干涡旋光束，是一个纯相位型的调制工具；

分束镜：用于透射所述待测部分相干涡旋光束，并反射经由空间光调制器调制后的光束；

反射式空间光调制器：用于加载对待测部分相干涡旋光束进行相位扰动的扰动点，所述空间光调制器反射所述分束镜透射的光，并让反射出来的光经过所述分束镜再次发生反射；截取有效观测范围的光斑；

多孔阵列板：供所述分束镜反射的光束穿过，所述多孔阵列板上设有周期排列的二维小孔阵列并在阵列中心附近设有一个参考小孔，所述多孔阵列板上的参考小孔对准所述分束镜反射的光束，所述多孔阵列板与空间光调制器之间的距离z≥aD/λ，其中，a是多孔阵列板上的各小孔间的间隔，D是截取出的有效光斑尺寸，λ是光源的波长；

傅里叶透镜：紧挨所述多孔阵列板放置之后放置，或使多孔阵列板位于傅里叶透镜的前焦面上，用于对穿过所述多孔阵列板的光束进行傅里叶变换；

电荷耦合器件(光强拍摄装置)：放置在傅里叶平面处拍摄光强信息；

计算机：与所述空间光调制器和电荷耦合器件连接，控制所述空间光调制器上的扰动点的加载，并对拍摄得到的光强进行实时反傅里叶变换、筛选阵列筛选以及反传输处理，获得待测涡旋光束的拓扑荷分布结构。

部分相干光源经涡旋相位板2产生待测部分相干涡旋光束，该涡旋相位板具有可产生不同拓扑荷(1≤|l|≤8且l为整数)的螺旋空间结构。部分相干涡旋光束经分束镜3(光强1:1的半透半反镜)透射到反射式纯相位空间光调制器4 (型号HOLOEYE-LETO，像素尺寸1920×1080，像素大小6.4μm)上。空间光调制器上信息(有效截取光斑范围和扰动点)的加载由计算机8控制，经信息加载后的出射光再经分束镜3反射到1m后的多孔阵列板5上。从多孔阵列板5 出来的光再经傅里叶透镜6(焦距为100mm，紧挨着多孔阵列板放置)汇聚于电荷耦合元件7(透镜6的傅里叶平面处放置)上以便采集光强，采集过程由计算机8控制。

1、多孔阵列板：利用激光刻蚀对基片整体不透光的板子进行打孔，制作一个20mm×20mm的多孔阵列板，其中心位置附近放置一个边长为36μm的正方形参考孔，其他二维阵列孔均匀等距排布，每个二维阵列孔边长均为45μm，各二维阵列孔间距a＝225μm，参考孔相对于右下角方位邻近二维阵列孔分别从x和y 方向偏移了90μm(Δx＝Δy＝90μm)，如图2所示。值得注意的是Δx＝Δy≠a/2。实验中，到达多孔阵列板的光束要严格对准参考孔。

2、采集光强：实验中共采集两次光强。第一次采集，空间光调制器仅加载一个截取有效观测范围的光斑的观测面。第二次采集，为达到扰动效果，空间光调制器会在第一次基础上在截取框内另添加一个半径为80μm、相位赋值为 -0.4π的圆形扰动点。两次拍摄采集过程中的唯一区别在于空间光调制器4上的相位扰动加载与否。

3、计算得到拓扑荷结构分布并读取拓扑荷符号和大小：将两次拍摄得到的光强信息输送到计算机8进行处理。首先对两次采集的光强分别进行反傅里叶变换，再由筛选阵列筛选。随后将筛选后的结果相减，并将相减后的结果进行反传输，即可得到待测部分相干涡旋光束的拓扑荷结构分布，根据拓扑荷结构分布中相位的增加方向和改变量可直接读取拓扑荷符号和大小。

4、计算机处理时使用的筛选阵列：筛选阵列不是实际的物体，而是在计算机处理时起到筛选信息作用的模拟阵列，其分布如图3，与多孔阵列板的唯一区别在于缺少中心点附近的参考孔，其他参数一致。

整个过程包含2次光强采集和数据处理，处理过程简单，因此整个过程耗时极短，几乎可以实现实时测量。

上述各实施例中，如图2所示，所述多孔阵列板为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔位于多个二维阵列孔围成的中心区域内，且所述参考孔的右边界距离其右侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δx，所述参考孔的下边界距离其下侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δy，其中，Δx＝Δy≠a/2，a 是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔。所述多孔阵列板与空间光调制器之间的距离z≥aD/λ，其中，a是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔，D是截取出的有效观测范围的光斑尺寸，λ是光源的波长。

本实施例部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统的工作原理介绍：

(1)待测光场描述：

本实用新型所涉及到的光束都是部分相干光，对于部分相干光，一般用交叉谱密度来描述光场。通过涡旋相位板2引入相位因子exp(ilθ)后的待测光场可简单描述为

W_V(r₁,r₂)＝W₀(s₁,s₂)exp(ilθ₁)[exp(ilθ₂)]^*， (1)

其中，W₀(s₁,s₂)代表光源处光场，s_i＝(x_0i,y_0i)(i＝1,2)表示光源处二维坐标矢量，r_i＝(x_1i,y_1i)表示引入相位因子后的二维坐标矢量，θ_i＝arctan(y_1i/x_1i)。

(2)传输过程：

待测光束传输到多孔阵列板处的场分布可表示为：

W(ρ₁,ρ₂)＝∫∫W_V(r₁,r₂)H(s₁,ρ₁)H(s₂,ρ₂)^*ds₁ds₂， (2)

其中，H(s_i,ρ_i)为传输因子。随后，光束透射过多孔阵列板，该多孔阵列板可表示为：

T(ρ)＝δ(ρ)+∑_mnδ(ρ-ρ_mn)， (3)

其中，δ(ρ)表征参考孔，ρ_mn＝(ma+Δx,na+Δy)(m,n均为整数)表征多孔阵列板上某一具体二维阵列孔的二维坐标，a表征各等距相邻二维阵列孔间的距离，Δx和Δy分别表征阵列板中心点右下角邻近阵列二维阵列孔与参考孔之间的横向偏移量和纵向偏移量。

(3)光强处理及拓扑荷的测量

对经过多孔阵列板到达傅里叶平面的光场进行反傅里叶变换可得：

FT^-1[I]＝W(0,0)δ(ρ)+∑_mn∑_pqW(ρ_mn,ρ_pq)δ[ρ-(ρ_mn-ρ_pq)]

+∑_mnW(-ρ_mn,0)δ(ρ-ρ_mn)+∑_pqW(0,ρ_pq)^*δ(ρ+ρ_pq)， (4)

其中，p和q均为整数。随后，通过计算机数值模拟出一个筛选阵列以便从反傅里叶变换后的光强中滤出W(-ρ_mn,0)或者W(0,ρ_mn)^*，筛选阵列与多孔阵列板的结构分布区别不大，前者较后者只是少了一个参考孔，其结构如图3所示。根据式(2)可得第一次拍摄结果：

W(ρ_mn,0)＝∫∫W₀(s₁,s₂)exp(ilθ₁)[exp(ilθ₂)]^*H(s₁,ρ_mn)H(s₂,0)^*ds₁ds₂， (5)

对第一次拍摄结果直接反传输得到的是∫W₀(s₁,s₂)exp(ilθ₁)[exp(ilθ₂)]^*H(s₂,0)^*ds₁，这并不是待测信息。为了得到待测信息，我们另外设计并加载了一个扰动因子Cδ(s-s₀)后进行第二次拍摄，其中，C表示一个复常数，s₀表示扰动坐标。第二次拍摄得到：

W'(ρ_mn,0)＝∫∫W₀(s₁,s₂)[exp(ilθ₁)+Cδ(s₁-s₀)][exp(ilθ₂)+Cδ(s₂-s₀)]^*

×H(s₁,ρ_mn)H(s₂,0)^*ds₁ds₂， (6)

用式(6)减去式(5)得到：

ΔW(s_mn,0)＝CC^*H(s₀,ρ_mn)H(s₀,0)^*W₀(s₀,s₀)

+CH(s₀,ρ_mn)∫W₀(s₀,s₂)[exp(ilθ₂)]^*H(s₂,0)^*ds₂

+CH(s₀,0)^*∫W₀(s₁,s₀)exp(ilθ₁)H(s₁,ρ_mn)ds₁， (7)

(7)式中的前两项都是常数，所以此时进行反向传输时，就可得到 W₀(s₁,s₀)exp(ilθ₁)，即拓扑荷结构分布，通过该拓扑荷结构分布可直接读取拓扑荷符号和大小，即其相位的改变分别为逆时针方向和顺时针方向增加时，对应的待测部分相干涡旋光束的拓扑荷符号分别为“+”和“-”，相位改变(增加)2lπ时，拓扑荷大小(值)为l，即部分相干涡旋光束的拓扑荷的符号和大小同时都得到了测量，且是实时测量。

上述实施例中，所述傅里变换单元为设置在多孔阵列和拍照装置之间的一傅里叶透镜；将傅里叶透镜距多孔阵列板的距离小于等于1mm；或使多孔阵列板位于傅里叶透镜的前焦面上。

上述实施例中，还包括分束镜，所述分束镜用于透射所述待测部分相干涡旋光束，并反射经由所述空间光调制器调制后的待测部分相干涡旋光束。

上述实施例中的具体取值取值还可以为其他取值，在此不再赘述。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，包括：部分相干光束传输路径上依次设置的将部分相干光束转化为携带相位因子的待测部分相干涡旋光束的涡旋相位板、用于对待测部分相干涡旋光束截取有效观测范围的光斑和对待测部分相干涡旋光束进行相位扰动并截取有效观测范围的光斑的空间光调制器、多孔阵列板、对穿过所述多孔阵列板的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别进行傅里叶变换的傅里变换单元、光强拍摄装置以及计算机；所述光强拍摄装置设置在傅里叶平面处，所述待测部分相干涡旋光束的计算机电连接所述的空间光调制器、光强拍摄装置。

2.根据权利要求1所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，所述涡旋相位板为一块具有固定折射率的透明板，其中一端是规则的平面结构，另一端是一个类似旋转台阶的不规则螺旋面结构，螺旋面的厚度会随着方位角的增加而增加；产生的部分相干涡旋光束拓扑荷数值及符号由所述涡旋相位板的螺旋面结构决定。

3.根据权利要求1所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，所述多孔阵列板为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔位于多个二维阵列孔围成的中心区域内，且所述参考孔的右边界距离其右侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δx，所述参考孔的下边界距离其下侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δy，其中，Δx＝Δy≠a/2，a是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔；所述参考孔对准入射的待测部分相干涡旋光束。

4.根据权利要求3所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，所述多孔阵列板与空间光调制器之间的距离z≥aD/λ，其中，a是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔，D是截取出的有效观测范围的光斑尺寸，λ是光源的波长。

5.根据权利要求1所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，所述多孔阵列板为与计算机连接的透射式空间光调制器，通过计算机输出控制指令控制透射式空间光调制器来加载多孔阵列板；或所述多孔阵列板为由激光刻蚀制作而成的透光板。

6.根据权利要求1所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，所述傅里变换单元为设置在多孔阵列和拍照装置之间的一傅里叶透镜；将傅里叶透镜距多孔阵列板的距离小于等于1mm；或使多孔阵列板位于傅里叶透镜的前焦面上。

7.根据权利要求1所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，其特征在于，还包括分束镜，所述分束镜用于透射所述待测部分相干涡旋光束，并反射经由所述空间光调制器调制后的待测部分相干涡旋光束。