一种测量分数阶关联涡旋光束拓扑荷的装置

本发明提供一种测量分数阶关联涡旋光束拓扑荷的装置。该装置可以测量分数阶关联涡旋光束中的拓扑荷数值的小数部分，可应用于光学图像编码、光通信、微粒操纵、光学囚禁和光探测等领域。

背景技术：

光学涡旋是具有相位奇点的螺旋分布波，在强度分布的中间出现暗区。螺旋相位扭曲波前，用指数项exp(ilθ)表示，其中θ为旋转方位角，l表示拓扑荷。在近轴传播条件下，光学涡旋中的每个光子都具有的拓扑荷，其中表示普朗克常量。拉盖尔-高斯光束、高阶贝塞尔光束和超几何高斯光束是一些著名的涡旋光束。

涡旋束的涡旋状态可以在整数值的基础上考虑分数阶，其中分数阶涡旋状态是整数涡旋束状态基础的叠加。分数阶涡旋光(fractionalvortex)具有螺旋形的相位结构，中心光强为零，光斑存在独特径向缺口，含有确定拓扑荷(orbitalangularmomentum，简记为oam)等特性，这些特性使分数阶涡旋光在非线性光学，生物医学，光通信等领域有广泛的应用前景。

关联涡旋光是光涡旋经过大气湍流的一种随机光场，此光源更加接近真实环境的光源，其在实际生产生活中的应用具有重要意义。我们称这种随机光束为部分相干涡旋光(pcvb)。分数阶部分相干涡旋光，因为包含有拓扑荷小数部分，极大地提高了涡旋光信息的承载量，是光学图像编码和光通信的一个新方向。

目前，分数阶拓扑荷(ftc)的测量方法有以下几种。比如，通过级联mach-zehnder干涉仪获得涡旋光束与其共轭光束之间的干涉强度图，以此来测量ftc；另一种方法是利用动态角双狭缝法测量涡旋光束的ftc。这些方法所使用的光路比较复杂，在实际应用中实现有一定困难，且大多仅适用于一种特定的涡旋光束。

文献hosseini-saberma,akhlaghiea,sabera.diffractometrybasedvortexbeamsfractionaltopologicalchargemeasurement[j].opticsletters,2020,45(13):3478-3481.报道了一种测量分数阶涡旋光束拓扑荷的方法。该方法使用具有一定厚度的相位板，通过控制其倾斜角度来测量分数阶涡旋光束的拓扑荷小数部分。但是，该方法依赖于涡旋光束的衍射光强分布特征，只能测量完全相干涡旋光的拓扑荷。在扰动环境下，光场相干性下降，光强衍射图案的结构特征将消失。因此，该方法无法测量分数阶关联涡旋光的拓扑荷小数部分。此外，该技术所使用的相位板倾斜角度和旋转的角度易受环境扰动影响，不易实现量化控制，容易产生较大实验误差，影响测量精确度。以上是目前分数阶涡旋光拓扑荷测量尚未解决的主要问题。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种测量分数阶关联涡旋光束拓扑荷的装置。本发明提供的装置将相位板写入全息片中，通过改变全息片的方位角和相位差来量化控制出射光场的关联函数空间分布。利用光场二阶关联函数的分布特征来测量分数阶关联涡旋光的拓扑荷。

实现本发明目的的技术方案是提供一种测量分数阶关联涡旋光束拓扑荷的装置，包括以下步骤：

(1)激光器产生分数阶关联涡旋光，调整光束光斑大小使其能完全覆盖全息型相位板；测量分数阶关联涡旋光场的交叉谱密度函数(ccf)，并观测该函数空间中待测量光束横截面上的ftc缺口位置；在空间光调制器上加载数字全息型相位板并调整其方位角，使数字全息型相位板产生的ccf缺口与pcvb的ftc缺口重合；

(2)使用小孔光阑选择所述空间光调制器反射出的一级衍射光；改变数字全息型相位板的相位差；使待测光场ccf中ftc缺口与相位板缺口的重合处呈现以下变化：缺口出现-缺口消失-缺口再出现，并记录下这三个变化发生时数字全息型相位板所加载的相位差，记为phi1，phi2，phi3；利用公式：

计算出ftc的小数部分l′；结合整数拓扑荷部分就是关联涡旋光的分数阶拓扑荷的最终值。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出一种测量分数阶关联涡旋光束拓扑荷的装置。

2.本发明所采用的装置光路可数字化控制，相位调节量化可控。光路结构简单，减小了旋转相位板引起的实验误差，提高了实验的精确度和可行性，在光通信和成像等领域具有应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种测量分数阶关联涡旋光拓扑荷的装置结构示意图。

图2是旋转一定方位角的全息相位板图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详尽说明，以下实施例是对本发明的解释，也是本发明较好的应用形式，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，它是本实施例提供的一种测量分数阶关联涡旋光束拓扑荷装置的结构示意图：它包括激光器1；空间光调制器2；计算机3；小孔光阑4；连拍相机5；计算机6；

如图2所示，它是本实施例提供的数字全息型相位板的示意图，a部分包含相位信息，b部分不包含相位信息，该相位板可以旋转角度为的方位角。

本实施例中，在计算机3中制备不同方位角的全息型相位板图像；将计算机3与空间光调制器2连接；打开激光器1产生分数阶关联涡旋光；调整所述激光器1光束光斑大小使其能完全覆盖空间光调制器2的全息型相位板；通过所述计算机3调整空间光调制器2上全息型相位板的方位角，在ccf空间中观察数字全息型相位板产生的ccf缺口与pcvb的ftc缺口；调整全息性相位板的方位角，直至数字全息型相位板产生的ccf缺口与pcvb产生的ftc缺口重合；使用所述小孔光阑4选取空间光调制器2反射光束中的一级衍射光；通过所述计算机6控制连拍相机5拍照得到缺口重合后的图像，并记录下此时全息型相位板的方位角；更改该方位角下全息型相位板的相位差，ccf空间中的衍射图也发生改变，记录下该相位差下的ccf图案；重复上述拍照步骤，将不同相位差下的ccf图案保存；随着相位差的改变，待测光场ccf图案中ftc缺口与相位板缺口的重合处呈现以下变化：缺口出现-缺口消失-缺口再出现；记录下出现这一现象照片所对应的相位差，通过公式(1.1)计算出ftc的小数部分l′；结合整数拓扑荷部分就是关联涡旋光的分数阶拓扑荷的最终值。