基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置及方法

文档序号:9706402阅读:675来源:国知局
基于光强分析的完美涡旋光束拓扑荷值的测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明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及测量方法。
【背景技术】
[0002] 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,Andrey S.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,Pravin Vaity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。
[0003] 涡旋光束的测量方法主要有干涉测量和衍射测量。其中,P. Vai ty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 ]。
[0004] 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。

【发明内容】

[0005] 本发明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 及方法,该方法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。
[0006] 本发明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Π、凸透镜Π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。
[0007] 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Π 的前焦平面 上;所述的C⑶相机置于凸透镜Π的后焦平面上。
[0008] 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中;具体过程如下: 平面波的电场表示为: EP = Eoexp(-ikz) 其中,Eo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:
其中,Ao为振幅常数,wo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:
式中,η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:
将E1的光强图写入空间光调制器中; 步骤二、打开连续波激光器的电源,连续波激光器发出的光束进入针孔滤波器,然后经 凸透镜I准直,准直后的光束经小孔光阑I、起偏器后变为线偏振光,照射在反射式空间光调 制器上; 步骤三、照射在反射式空间光调制器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及小孔光阑Π 后,照射在凸透镜Π 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,η为螺旋亮条纹个数。
[0009] 有益效果:与现有技术相比,本发明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;本发明 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】
[0010] 图1是本发明完美涡旋光束产生装置的装置原理图。
[0011] 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Π ,009、凸透镜Π ,010、CCD相机, 011、计算机。
[0012] 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】
[0013] 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1003、小孔光阑1004,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Π 008、凸透镜Π 009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。
[0014] 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1003间的距离为凸透镜1003的焦距;所述的反射式空间光调制器006置 于凸透镜Π 009的前焦平面上;所述的C⑶相机010置于凸透镜Π 009的后焦平面上。
[0015] 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: EP = Eoexp(-ikz) 其中,Eo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:
其中,Ao为振幅常数,wo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:
式中,η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:
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1003准直,准直后的光束经小孔光阑1004、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Π 008后,照射在凸透镜Π 009上
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