一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置及方法，属于数字全息【技术领域】。本发明装置包括半导体激光器、显微物镜空间滤波器、准直透镜、分光棱镜Ⅰ、平面反射镜、分光棱镜Ⅱ、空间光调制器、分光棱镜Ⅲ、分光棱镜Ⅳ以及光电耦合器件。本发明方法利用装置的一臂生成涡旋光束作为物光，另一臂作为参考光，利用全息干涉原理将涡旋光束的波前相位信息以干涉条纹的形式记录下来，后期数字重构出其相位分布，根据涡旋光束的定义即可根据其重构出的相位分布获取其拓扑电荷数。本发明解决了当前测定涡旋光束的拓扑电荷数方法需要特定仪器或设备，或现有测定方法操作复杂，稳定性差，可靠性低的问题。
【专利说明】—种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置及方法，属于数字全息【技术领域】。
【背景技术】
[0002]数字全息技术是计算机技术和传统光学全息相结合的产物，采用数字化的记录和再现方法，能够较为方便地获取物体的振幅信息和相位信息，其中相位信息是恢复物体三维形貌的重要参数。数字全息技术是用光电耦合器件(如CCD或CMOS)代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的再现和处理。数字全息术与传统光学全息术相比具有成像速度快，记录和再现灵活等优点。近年来，随着计算机技术特别是高分辨率CCD制造加工工艺的发展，数字全息技术及其应用受到越来越多的关注，其应用范围已涉及形貌测量、变形测量、粒子场测试、数字显微、防伪、三维图像识别、医学诊断等诸多领域。
[0003]1992年Alien等人发现具有exP(iM)相位结构形式的光束，也就是涡旋光束的一个特征是其每个光子都具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum, 0AM),这种光束的一个典型实例是拉盖尔-高斯光束。由于涡旋光束带有轨道角动量，在粒子囚禁与操控，量子信息编码等领域都有广泛的应用。因此作为影响这些应用最重要参数的涡旋光轨道角动量受到广泛关注，探测涡旋光束的轨道角动量量子数也即拓扑电荷数7进而成为近几年涡旋光束研究的热点课题。
[0004]涡旋光束的产生方法有利用螺旋相位板、光在粗糙表面的散射以及特殊设计的合成计算全息图衍射获得涡旋光束等。如用空间光调制器，通过加载不同的计算全息图可以方便地产生不同拓扑电荷数7的涡旋光束。
[0005]目前，测定涡旋光束的拓扑电荷数主要是从涡旋光束的干涉、衍射和散射特性出发，根据涡旋光束在经过上述三个物理过程中产生的一系列特殊现象，间接地可以判定出润旋光束的拓扑电荷数。Jonathan Leach等人提出的M_Z干涉装置；Gregorius C.和G.Berkhout 提出的多孔干涉仪(multipoint interferometer) ； Ruifeng Liu 等人提出的角向双缝干涉仪，都是利用干涉测定涡旋光束拓扑电荷数的典型例子，从得到的特殊干涉图样可以分析拓扑电荷数与图样中光斑的关系得出7。Koh Saitoh等人则通过涡旋光束经叉形光栅(forked grating)衍射后的分布准确得出入射润旋光束的拓扑电荷数，而刘曼则利用拉盖尔-高斯光束照射弱随机散射屏，分析散射光的近场分布获得涡旋光束的拓扑电荷数。
[0006]当前用来测定涡旋光束的设备或仪器中，需要有特殊制备的仪器，如Dove棱镜，多孔干涉仪，角向干涉仪，叉形光栅或弱随机散射屏等，这类仪器或设备存在利用率低、制备困难，精度要求高等困难，本发明提出的基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置不需要特殊的仪器或设备，它以分光棱镜和反射镜以及光电耦合器件即可完成对涡旋光束拓扑电荷数的测定。
[0007]上述方法都是从涡旋光束的性质入手，通过与之相关的各种物理现象来确定拓扑电荷数，且研究主要集中在整数阶，对于分数阶拓扑电荷数的涡旋光束还未能有很准确的定量测定方法。本发明从涡旋光束的特殊相位分布特性入手，提出利用数字全息技术获取涡旋光束拓扑电荷数的方法，通过全息干涉图将涡旋光束的相位分布记录下来并再现，实现润旋光束相位结构的全面表征。实验结果表明，重构出的润旋光束相位具有与拓扑电荷数7相关的螺旋结构，与涡旋光束对相位的定义相吻合。利用该发明对涡旋光束的拓扑电荷数的测量结果为涡旋光束本质结构的研究以及轨道角动量量子数传输信息的利用提供了 一定的参考。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置及方法，用于解决当前测定涡旋光束的拓扑电荷数方法需要特定仪器或设备，这些设备需要较高成本或需要特殊制备，或现有测定方法操作复杂，稳定性差，可靠性低的问题。
[0009]本发明的技术方案是:一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置，包括半导体激光器1、显微物镜空间滤波器2、准直透镜3、分光棱镜I 4、平面反射镜5、分光棱镜II 6、空间光调制器7、分光棱镜III 8、分光棱镜IV 9以及光电稱合器件10 ;其中半导体激光器I距显微物镜空间滤波器2为0.15m-0.2m，准直透镜3的前焦面恰好位于显微物镜空间滤波器2的出瞳位置，分光棱镜I 4距准直透镜3为0.08m-0.15m,分光棱镜I 4与分光棱镜II 6在同一条水平线上,分光棱镜I 4与分光棱镜III 8在同一条垂直线上，分光棱镜III 8与分光棱镜IV 9在同一条水平线上,分光棱镜II 6与分光棱镜IV 9在同一条垂直线上，分光棱镜I 4、分光棱镜II 6、分光棱镜III8和分光棱镜IV 9在光学平台上构成一个矩形光路，平面反射镜5在分光棱镜II 6垂直向上方向的距离为0.03m-0.05m,空间光调制器7在分光棱镜III 8水平向左方向的距离为0.03m-0.05m,光电稱合器件10在分光棱镜IV 9水平向右方向的距离为0.lm-0.15m。
[0010]所述平面反射镜5在分光棱镜II 6垂直向上方向的距离与空间光调制器7在分光棱镜III8水平向左方向的距离相等(对于其它数值范围的数据可以与所述平面反射镜5在分光棱镜II 6垂直向上方向的距离与空间光调制器7在分光棱镜III8水平向左方向的相等的两个距离信息相互任意组合)。
[0011]一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的方法，所述方法的具体步骤如下:
A、搭建基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置:半导体激光器I距显微物镜空间滤波器2为0.15m-0.2m，准直透镜3的前焦面恰好位于显微物镜空间滤波器2的出瞳位置，分光棱镜I 4距准直透镜3为0.08m-0.15m,分光棱镜I 4与分光棱镜II 6在同一条水平线上，分光棱镜I 4与分光棱镜III8在同一条垂直线上,分光棱镜III8与分光棱镜IV 9在同一条水平线上,分光棱镜II 6与分光棱镜IV 9在同一条垂直线上,分光棱镜I 4、分光棱镜II 6、分光棱镜III8和分光棱镜IV 9在光学平台上构成一个矩形光路，平面反射镜5在分光棱镜II 6垂直向上方向的距离为0.03m-0.05m,空间光调制器7在分光棱镜
III8水平向左方向的距离为0.03m-0.05m，光电耦合器件10在分光棱镜IV 9水平向右方向的距离为0.lm-0.15m，平面反射镜5在分光棱镜II 6垂直向上方向的距离与空间光调制器7在分光棱镜III 8水平向左方向的距离相等；
B、打开半导体激光器1、空间光调制器7和光电稱合器件10的电源；
C、半导体激光器I发出的激光通过显微物镜空间滤波器2扩束滤波后由高斯光束变为球面波，球面波激光由准直透镜3发散成平面波；所述平面波由分光棱镜I 4分为透射和反射两路光束:
Cl、由分光棱镜I 4分出的透射光路沿直线传播到达分光棱镜II 6的发射面上,光束反射到平面反射镜5上后再反射回分光棱镜II 6并透射过分光棱镜II 6传播到分光棱镜IV 9的反射面，光束反射到光电耦合器10件表面，这一路光束为参考光；
C2、由分光棱镜I 4分出的反射光路沿直线传播到达分光棱镜III8的反射面上，光束反射到空间光调制器7上，利用电脑驱动，在空间光调制器7上加载一幅叉形光栅，以调制出涡旋光束，调制出的涡旋光束沿直线传播透射过分光棱镜III 8和分光棱镜IV 9后到达光电耦合器件10表面，这一路光束为物光；
D、在光电耦合器件10表面，物光和参考光产生干涉条纹，调节分光棱镜IV9对参考光束的反射角度，使物参夹角合适恰当，光电耦合器件10表面上出现的干涉条纹均匀稳定，并使用电脑驱动光电耦合器件10将干涉条纹记录到磁盘驱动器；
E、将光电耦合器件10记录的干涉条纹读入MATLAB中，对其做傅里叶变换，取出频谱中的正一级，再对提取出来的信息做逆傅里叶变换得到正一级全息图，使用菲涅尔衍射计算再现，提取相位，通过判定涡旋光束的相位分布来测定其拓扑电荷数I ;所述具体过程如下:
El、频谱分离:对全息图(光电耦合器件10记录的干涉条纹)进行傅里叶变换，然后提取出正一级的频谱，再对其做逆傅里叶变换得到正一级全息图；
E2、数字再现算法:用菲涅尔衍射算法对正一级全息图进行再现得到物体的复振幅信
息；
E3、再现像相位的提取:在MATLAB中使用angle命令对复振幅信息进行相位提取，并对提取的相位进行消参考光；
E4、得到拓扑电荷数7:根据涡旋光束对于相位的定义，判定相位的分布范围信息，得到涡旋光束的拓扑电荷数7 ；
F、改变空间光调制器7中所加载的叉形光栅的拓扑电荷数7的取值，重复步骤D-E，测定出涡旋光束的拓扑电荷数I。
[0012]本发明的工作原理是:
本发明利用基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置，在基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置的一臂生成涡旋光束作为物光，另一臂作为参考光，利用全息干涉原理将涡旋光束的波前相位信息以干涉条纹的形式记录下来，后期数字重构出其相位分布，根据涡旋光束的定义即可根据其重构出的相位分布获取其拓扑电荷数。
[0013]该种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置中，光束从半导体激光器I射出，通过显微物镜空间滤波器2的滤波扩束后，被准直透镜3准直成平面光波，平面光波通过分光棱镜I 4的分光作用分为两束，一束透射光经过分光棱镜II 6和平面反射镜5及分光棱镜IV 9的三次反射后到达光电稱合器件10的表明形成参考光；分光棱镜
I4处分出的另一路反射光经过分光棱镜III8和空间光调制器7两次反射后再透射过分光棱镜IV 9到达光电耦合器件10形成物光与参考光产生干涉条纹。
[0014]本发明所述构成元件均为市售产品。
[0015]在传统的光学摄像中，只能记录物体的光场强度，而全息技术可以将光波的振幅和相位同时记录。全息技术要求使用相干光来建立参考光和物光之间固定的相位差关系，从而获得稳定的干涉条纹。设传播到记录介质上的物光波和参考光波分别为:
【权利要求】
1.一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置，其特征在于:包括半导体激光器(1)、显微物镜空间滤波器(2)、准直透镜(3)、分光棱镜I (4)、平面反射镜(5)、分光棱镜II (6)、空间光调制器(7)、分光棱镜111(8)、分光棱镜IV(9)以及光电耦合器件(10);其中半导体激光器(1)距显微物镜空间滤波器(2)为0.15m-0.2m，准直透镜(3)的前焦面恰好位于显微物镜空间滤波器(2)的出瞳位置，分光棱镜I (4)距准直透镜(3)为.0.08m-0.15m,分光棱镜I (4)与分光棱镜II (6)在同一条水平线上,分光棱镜I (4)与分光棱镜111(8)在同一条垂直线上，分光棱镜111(8)与分光棱镜IV(9)在同一条水平线上，分光棱镜II (6)与分光棱镜IV (9)在同一条垂直线上,分光棱镜I (4)、分光棱镜II (6)、分光棱镜111(8)和分光棱镜IV(9)在光学平台上构成一个矩形光路，平面反射镜(5)在分光棱镜II(6)垂直向上方向的距离为0.03m-0.05m,空间光调制器(7)在分光棱镜III(8)水平向左方向的距离为0.03m-0.05m，光电耦合器件(10)在分光棱镜IV (9)水平向右方向的距离为.0.lm-0.15m。
2.根据权利要求1所述的基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置，其特征在于:所述平面反射镜(5)在分光棱镜II (6)垂直向上方向的距离与空间光调制器(7)在分光棱镜III (8)水平向左方向的距离相等。
3.一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的方法，其特征在于:所述方法的具体步骤如下: A、搭建基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置:半导体激光器(I)距显微物镜空间滤波器(2)为0.15m-0.2m，准直透镜(3)的前焦面恰好位于显微物镜空间滤波器(2)的出瞳位置，分光棱镜I (4)距准直透镜(3)为0.08m-0.15m，分光棱镜I(4)与分光棱镜II (6)在同一条水平线上,分光棱镜I (4)与分光棱镜III(8)在同一条垂直线上，分光棱镜III(8)与分光棱镜IV (9)在同一条水平线上，分光棱镜II (6)与分光棱镜IV(9)在同一条垂直线上,分光棱镜I (4)、分光棱镜II (6)、分光棱镜111(8)和分光棱镜IV (9)在光学平台上构成一个矩形光路，平面反射镜(5)在分光棱镜II (6)垂直向上方向的距离为0.03m-0.05m，空间光调制器(7)在分光棱镜III (8)水平向左方向的距离为0.03m-0.05m,光电稱合器件(10)在分光棱镜IV(9)水平向右方向的距离为0.lm-0.15m,平面反射镜(5)在分光棱镜II (6)垂直向上方向的距离与空间光调制器(7)在分光棱镜111(8)水平向左方向的距离相等； B、打开半导体激光器(I)、空间光调制器(7)和光电耦合器件(10)的电源； C、半导体激光器(I)发出的激光通过显微物镜空间滤波器(2)扩束滤波后由高斯光束变为球面波，球面波激光由准直透镜(3)发散成平面波；所述平面波由分光棱镜I (4)分为透射和反射两路光束: Cl、由分光棱镜I (4)分出的透射光路沿直线传播到达分光棱镜II (6)的发射面上,光束反射到平面反射镜(5)上后再反射回分光棱镜II (6)并透射过分光棱镜II (6)传播到分光棱镜IV (9)的反射面,光束反射到光电稱合器(10)件表面,这一路光束为参考光； C2、由分光棱镜I (4)分出的反射光路沿直线传播到达分光棱镜111(8)的反射面上，光束反射到空间光调制器(7)上，利用电脑驱动，在空间光调制器(7)上加载一幅叉形光栅，以调制出涡旋光束，调制出的涡旋光束沿直线传播透射过分光棱镜111(8)和分光棱镜IV(9)后到达光电耦合器件(10)表面，这一路光束为物光；D、在光电耦合器件(10)表面，物光和参考光产生干涉条纹，调节分光棱镜IV(9)对参考光束的反射角度，使物参夹角合适恰当，光电耦合器件(10 )表面上出现的干涉条纹均匀稳定，并使用电脑驱动光电耦合器件(10)将干涉条纹记录到磁盘驱动器； E、将光电耦合器件(10)记录的干涉条纹读入MATLAB中，对其做傅里叶变换，取出频谱中的正一级，再对提取出来的信息做逆傅里叶变换得到正一级全息图，使用菲涅尔衍射计算再现，提取相位，通过判定涡旋光束的相位分布来测定其拓扑电荷数I ;所述具体过程如下: El、频谱分离:对全息图进行傅里叶变换，然后提取出正一级的频谱，再对其做逆傅里叶变换得到正一级全息图； E2、数字再现算法:用菲涅尔衍射算法对正一级全息图进行再现得到物体的复振幅信息； E3、再现像相位的提取:在MATLAB中使用angle命令对复振幅信息进行相位提取，并对提取的相位进行消参考光； E4、得到拓扑电荷数7:根据涡旋光束对于相位的定义，判定相位的分布范围信息，得到涡旋光束的拓扑电荷数7 ； F、改变空间光调制器(7)中所加载的叉形光栅的拓扑电荷数7的取值，重复步骤D-E，测定出涡旋光束的拓扑电荷数I。
【文档编号】G01J9/02GK103940520SQ201410141180
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】王林, 袁操今, 冯少彤, 李重光, 赵应春, 张秀英 申请人:昆明理工大学