基于光强分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量装置制造方法
【专利摘要】基于光强分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量装置，利用光束分束装置将拓扑荷值为m的待测涡旋光束分为两束光，将其中一束光倒置，变为待测光束的共轭光束；待测涡旋光束与其共轭涡旋光束相互干涉，形成的干涉图案在CCD相机中成像；然后，储存进计算机；利用计算机对干涉条纹图进行处理，将待测涡旋光束与其共轭光束相干涉，并记录干涉条纹图，后根据干涉条纹图亮条纹分布以及各个亮斑的强度比较计算得到拓扑荷值，本装置能实现涡旋光束任意阶(0.1阶)精度拓扑荷值的测量，具有实质性特点和显著进步，可广泛应用于玻色-爱因斯坦凝聚、量子通信、信息编码与传输、粒子囚禁、光镊、光扳手等领域的拓扑荷值测量。
【专利说明】基于光强分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种测量分数阶涡旋光束拓扑荷值的装置，具体的说是涉及一种 利用光强分析测量分数阶涡旋光束拓扑荷值测量装置。
【背景技术】
[0002] 由于涡旋光束在玻色-爱因斯坦凝聚、量子信息编码、粒子囚禁、光镊及光扳手等 领域具有重要的应用前景，成为近年来信息光学领域一个非常重要的研究热点。由于涡旋 光束的拓扑荷值（即光子轨道角动量）是携带了光束的信息和能量，因此，精确测量拓扑荷 值是涡旋光束研究时首先要解决的问题。
[0003] 从目前研究看，涡旋光束拓扑荷值的测量主要分为干涉测量和衍射测量。其 中，P. Vaity利用倾斜双凸透镜的迈克尔逊干涉光路测量了整数阶涡旋[Optics Letters, 37 (2012) 1301-1303]，通过数干涉亮条纹数可测量拓扑荷值为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。但这两种方 法都是通过数干涉/衍射条纹数测量来实现，仅能达到半整数阶（0. 5阶）精度[A. Mourka etal·，Optics Express 19 (2011) 5760]的拓扑荷值测量。
[0004] 因此，如何实现任意阶（0. 1阶）精度的拓扑荷值的测量是该【技术领域】面临的一个 亟待解决的技术难题。 实用新型内容
[0005] 本实用新型要解决的技术问题：提供一种能实现任意阶（0. 1阶）精度的基于光强 分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量装置。
[0006] 本实用新型所采用的技术方案为：基于光强分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量 装置，由准直扩束器、分束镜I、分束镜II、道威棱镜、反射镜I、反射镜II、成像透镜、C⑶相 机II和计算机II组成，待测涡旋光束经准直扩束器扩束后照射在分束镜I上，分为透射光 束和反射光束；透射光束照射在一道威棱镜上，经过道威棱镜后，照射在反射镜I上，反射 后照射在分束镜II上；反射光束照射在反射镜II上，反射后照射在分束镜II上；透射光束 和反射光束经分束镜II合束后，经成像透镜后在C⑶相机中干涉成像，C⑶相机记录的干涉 条纹图传输进计算机进行处理。
[0007] 与以往技术相比，本实用新型方法能实现涡旋光束任意阶（0. 1阶）精度拓扑荷值 的测量，具有实质性特点和显著进步，可广泛应用于玻色-爱因斯坦凝聚、量子通信、信息 编码与传输、粒子囚禁、光镊、光扳手等领域的拓扑荷值测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为测量装置的结构示意图。
[0009] 图2为利用图1测量装置测得的拓扑荷值分别为?=2.1，2. 2, 2. 3, 2.4, 2. 5， 2. 6, 2. 7, 2. 8, 2. 9, 3. 0的10束待测涡旋光束的干涉条纹图。其中，白色虚线为干涉条纹 图的对称轴，白色实线为对称轴上的归一化光强值曲线。
[0010] 附图标记：1〇〇、待测涡旋光束，110、准直扩束器，121、分束镜I，122、分束镜II， 130、道威棱镜，141、反射镜I，142、反射镜II，150、成像透镜，200、CCD相机，300、计算机。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0012] 附图1为测量装置的结构示意图，该装置采用了改进的马赫-曾德尔干涉光路，待 测涡旋光束100经准直扩束器110扩束后照射在分束镜I 121上，分为透射光束和反射光 束；透射光束照射在一道威棱镜130上，经过道威棱镜130后，照射在反射镜I 141上，反射 后照射在分束镜II 122上；反射光束照射在反射镜II 142上，反射后照射也在分束镜II 122 上；透射光束和反射光束经分束镜II 122合束后，经成像透镜150后在C⑶相机200中干涉 成像；(XD相机200记录的干涉条纹图传输进计算机300进行处理。
[0013] 所述的透射光束经道威棱镜130后，变成待测涡旋光束的共轭光束；
[0014] 所述的反射光束与待测涡旋光束的特性相同（即拓扑荷值不变)。
[0015] 在该实施例中，我们分别对?=2· 1，2. 2, 2. 3, 2. 4, 2. 5, 2. 6, 2. 7, 2. 8, 2. 9, 3. 0 的10束待测涡旋光束的拓扑荷值进行了测量，测量结果见附图2。下面结合附图2,对本实 施例的测量过程进一步说明。
[0016] 所述的基于光强分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量方法，其具体步骤如下：
[0017] 步骤一、利用图1中的分束镜I 121将拓扑荷值为的待测涡旋光束分为两束 光，利用道威棱镜130将其中的透射光束倒置，变为待测光束的共轭光束(其拓扑荷值变 为-m) '
[0018] 步骤二、待测涡旋光束与其共轭涡旋光束相互干涉，形成的干涉图案在CCD相机 200中成像；然后，储存进计算机300 ;
[0019] 步骤三、利用计算机300对干涉条纹图进行处理，图2(e)中干涉条 纹图亮条纹分布具有圆对称性，且亮斑个数/?〇=5,求得涡旋光束的拓扑荷值为 ? = %/2 = 2.5 ;图2(j)中干涉条纹图亮条纹分布具有圆对称性，且亮斑个数/^=6,求得涡 旋光束的拓扑荷值为》* = %/2 = 3.〇;
[0020] 步骤四、图2(a)中干涉条纹亮斑分布不具有圆对称性但具有轴对称性且各个亮 斑的强度相同，亮斑个数4=4,计算可得干涉图样对称轴上两个光强极大值的比值(两者 中的小值除以大值）《?= 0.9045 (相对误差〈10%)，则￡i= 0.1 ;则涡旋光束的拓扑荷值为 ^ = ^/2 + ^ = 2.1 ；
[0021] 步骤五、图2(b)中干涉条纹亮斑分布不具有圆对称性但具有轴对称性且各个亮 斑的强度相同，亮斑个数4=5,计算可得干涉图样对称轴上两个光强极大值的比值(两者中 的小值除以大值）^ = 0.6545 ,所以￡1 = -0.3 ;则涡旋光束的拓扑荷值为^=^/2 + 5 = 2.2
[0022] 步骤六、图2(c)中干涉条纹亮斑分布不具有圆对称性但具有轴对称性且各个亮斑 的强度相同，亮斑个数4=5，计算可得干涉图样对称轴上两个光强极大值的比值(两者中的小 值除以大值）4=0.3455，所以￡i = -0.2 ;则润旋光束的拓扑荷值为+ ? = 2.3 ;
[0023] 步骤七、图2(d)中干涉条纹亮斑分布不具有圆对称性但具有轴对称性且各个亮斑 的强度相同，亮斑个数/^=5，计算可得干涉图样对称轴上两个光强极大值的比值(两者中的小 值除以大值）^ = 0.3455,所以=-0.1 ;则涡旋光束的拓扑荷值为2.4 ;
[0024] 步骤八、图2 (f)中干涉条纹亮斑分布不具有圆对称性但具有轴对称性且各亮斑 的强度不同，亮斑个数&=5,计算可得干涉图样对称轴上两个光强极大值的比值(两者中的 小值除以大值）0.0955，所以= 0.1 ;则涡旋光束的拓扑荷值为》! =.?/2+ β·2 = 2.6 ;
[0025] 步骤九、图2 (g)中干涉条纹亮斑分布不具有圆对称性但具有轴对称性且各亮斑 的强度不同，亮斑个数&=5,计算可得干涉图样对称轴上两个光强极大值的比值(两者中的 小值除以大值）％ =0.3455,所以f2 = 0.2 ;则涡旋光束的拓扑荷值为《 = .%/2 + f2二2.7 ;
[0026] 步骤十、图2 (h)中干涉条纹亮斑分布不具有圆对称性但具有轴对称性且各亮斑 的强度不同，亮斑个数&=5,计算可得干涉图样对称轴上两个光强极大值的比值(两者中的 小值除以大值）％ =0.6545，所以￡·2 = 0.3 ;则涡旋光束的拓扑荷值为-- = Η2/2 + ￡·2 = 2.8 ;
[0027] 步骤十一、图2 (i)中干涉条纹亮斑分布不具有圆对称性但具有轴对称性且各亮斑 的强度不同，亮斑个数/?2=5，计算可得干涉图样对称轴上两个光强极大值的比值(两者中的小 值除以大值）％=〇.9〇45,所以ε· 2 = 0.4 ;则润旋光束的拓扑荷值为m=?2/2 + q = 2.9 ;
[0028] 步骤十二、与这10束涡旋光束生成时的拓扑荷值比较，该方法利用干涉条纹图的 光强分析准确实现了这10束分数阶涡旋光束拓扑荷值的测量。
[0029] 经实验表明：本实用新型方法能实现任意阶（0. 1阶）涡旋光束拓扑荷值的测量， 与现有测量方法相比，测试精度提高了一个数量级；并且具有方法简单、快速、准确的特点。
【权利要求】
1.基于光强分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量装置，其特征在于：由准直扩束器 (110)、分束镜I (121)、分束镜II (122)、道威棱镜（130)、反射镜I (141)、反射镜II (142)、 成像透镜（150 )、C⑶相机II (200 )和计算机II (300 )组成，待测涡旋光束（100 )经准直扩束 器（110)扩束后照射在分束镜I (121)上，分为透射光束和反射光束；透射光束照射在一道 威棱镜（130)上，经过道威棱镜（130)后，照射在反射镜I (141)上，反射后照射在分束镜II (122)上；反射光束照射在反射镜II (142)上，反射后照射在分束镜II (122)上；透射光束 和反射光束经分束镜II (122)合束后，经成像透镜（150)后在C⑶相机（200)中干涉成像， C⑶相机（200 )记录的干涉条纹图传输进计算机（300 )进行处理。
【文档编号】G01J1/00GK203837820SQ201420216999
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】李新忠, 吕芳捷, 台玉萍, 王辉, 张利平, 李贺贺 申请人:河南科技大学