一种基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置的制作方法

本发明涉及一种拓扑荷测量装置，属于信息光学技术领域。

背景技术：

现有涡旋光束的拓扑荷测量装置通常基于干涉或是反涡旋解调原理，这两种类型的拓扑荷测量装置所需光学器件的种类多，数量多，检测光路复杂，成本较高，在很大程度上限制了轨道角动量检测技术的实际应用。

技术实现要素：

本发明为解决现有拓扑荷测量装置的检测光路复杂的问题，提出了一种基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置。

本发明所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置包括连续激光器、偏振镜1、第一聚束透镜2、扩束透镜3、分束器4、空间光调制器5、光阑6、遮挡物7、第二聚束透镜8和光电探测器9；连续激光器发射的激光依次经偏振镜1的过滤、第一聚束透镜2的聚束和扩束透镜3的扩束后射入分束器4，分束器4将入射激光分为两束，一束激光被分束器4反射出所述测量装置，另一束激光经分束器4透射入空间光调制器5；

空间光调制器5用于调制入射激光的相位，将其从高斯光束转换为涡旋光束；

被空间光调制器5转换后的激光原路返回至分束器4，并被分束器4分为两束，一束激光经分束器4透射出所述测量装置，另一束激光被分束器4反射至光阑6；

来自分束器4的反射激光依次经光阑6的过滤和遮挡物7的遮挡后，发生远场衍射，并经第二聚束透镜8的聚束后射入焦点处的光电探测器9的焦平面上；

遮挡物7不透光，其与入射激光重合的部分为扇形，该扇形的圆心角为30°，其顶点位于入射激光的中心轴上。

作为优选的是，偏振镜1为格兰泰勒棱镜。

作为优选的是，第一聚束透镜2的焦距为3cm，扩束透镜3的焦距为15cm。

进一步的是，第二聚束透镜8的焦距为40cm。

作为优选的是，空间光调制器5为反射式空间光调制器。

作为优选的是，光电探测器9为ccd探测器。

作为优选的是，连续激光器为632nm氦氖激光器。

作为优选的是，所述测量装置还包括正l阶的螺旋相位板10，l为正整数且小于或等于5；正l阶的螺旋相位板10设置在光阑6与遮挡物7之间的光路上。

空间光调制器5预写有拓扑荷光束相位全息图，光阑6用于过滤涡旋光束中的高阶衍射成分，进而提纯涡旋光束的质量。

涡旋光束经过遮挡物7后，其振幅发生改变，并遵照远场衍射传输，成像于无穷远。

第二聚束透镜8用于使远场衍射传输的涡旋光束成像于其焦平面上，并通过光电探测器9接收，光电探测器9中像的亮光斑数为涡旋光束的拓扑荷数。

本发明所述的拓扑荷测量装置，通过空间光调制器调制待测量激光的相位，使之转换为待测的涡旋光束，并通过在涡旋光束的光路上设置遮挡物，使涡旋光束发生远场衍射。与现有的基于干涉或反涡旋解调原理的拓扑荷测量装置相比，本发明所述的拓扑荷测量装置所需光学器件的种类少，数量少，检测光路相对简单，成本也较低，能够有效地推进轨道角动量检测技术的实际应用。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置进行更详细的描述，其中：

图1为实施例一所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置的光路示意图，其中，11为连续激光器；

图2为实施例一提及的遮挡物与涡旋光束重合的扇形部分的示意图；

图3为实施例八所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置的光路示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置作进一步的说明。

实施例一：下面结合图1和图2详细地说明本实施例。

本实施例所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置包括连续激光器、偏振镜1、第一聚束透镜2、扩束透镜3、分束器4、空间光调制器5、光阑6、遮挡物7、第二聚束透镜8和光电探测器9；连续激光器发射的激光依次经偏振镜1的过滤、第一聚束透镜2的聚束和扩束透镜3的扩束后射入分束器4，分束器4将入射激光分为两束，一束激光被分束器4反射出所述测量装置，另一束激光经分束器4透射入空间光调制器5；

空间光调制器5用于调制入射激光的相位，将其从高斯光束转换为涡旋光束；

被空间光调制器5转换后的激光原路返回至分束器4，并被分束器4分为两束，一束激光经分束器4透射出所述测量装置，另一束激光被分束器4反射至光阑6；来自分束器4的反射激光依次经光阑6的过滤和遮挡物7的遮挡后，发生远场衍射，并经第二聚束透镜8的聚束后射入焦点处的光电探测器9的焦平面上；遮挡物7不透光，其与入射激光重合的部分为扇形，该扇形的圆心角为30°，其顶点位于入射激光的中心轴上。

涡旋光束的表达式为：

其中，为gouy相位；为瑞利长度；ω0为束腰半径；为光束半径；为归一化系数；是缔合拉盖尔多项式，l和p是表征模式的特征量子数；径向量子数p表示在光束截面上同心光环的数目是p+1，角向量子数l表示相位奇点的阶数，即绕相位奇点一周，相位改变2lπ。相位因子exp(ilθ)表明该光束具有螺旋结构，i为虚数单位，k为波矢，r为极坐标的半径，z为传输距离。

图2为遮挡物与涡旋光束重合的扇形部分的示意图，其中白色部分为涡旋光束，黑色部分为遮挡物。

所述扇形的整体振幅透过率函数为：

涡旋光束的振幅变化为：

涡旋光束发生远场衍射等同于进行一次傅里叶变换，变换后振幅为：

对变换后的振幅进行模平方，得到远场的光强分布。使用软件仿真得到仿真图，仿真图中的亮光斑数量就是涡旋光中拓扑荷数。

本实施例所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置以涡旋光束具有轨道角动量为理论基础，采用有规则的遮挡物使涡旋光束发生远场衍射，并通过聚束透镜和ccd探测器捕捉远场衍射的涡旋光束，并通过涡旋光像的亮光斑数判断涡旋光束的拓扑荷数。与现有技术相比，本实施例所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置能够实现涡旋光束拓扑荷数的简便检测，能够更加精准地测量信号光中的拓扑荷数，适用于量子通信、激光探测以及光信号检测等领域。

实施例二：本实施例是对实施例一所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置作进一步的限定。

本实施例所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置，偏振镜1为格兰泰勒棱镜。

本实施例采用格兰泰勒棱镜作为偏振镜，格兰泰勒棱镜是一种由天然方解石晶体制成的双折射偏光器件，主要成分为caco3的斜方六面体结晶。输入一束无偏光的光束，可以得到一束线偏振光。与其他偏光器件相比，其透过率和偏光纯度更高。本实施例选用gcl-070215型号的格兰泰勒棱镜。本实施例选用gcc-401021型号的分束器。

实施例三：本实施例是对实施例一所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置作进一步的限定。

本实施例所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置，第一聚束透镜2的焦距为3cm，扩束透镜3的焦距为15cm。

本实施例采用gcl-010217型号的透镜作为第一聚束透镜，采用gcl-010212型号的透镜作为扩束透镜。

实施例四：本实施例是对实施例一所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置作进一步的限定。

本实施例所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置，空间光调制器5为反射式空间光调制器。

本实施例选用硅基液晶空间光调制器，该空间光调制器是一种反射型的空间光调制器，分辨率为600×600，其只改变光的相位，不改变光的强度和偏振状态。

实施例五：本实施例是对实施例三所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置作进一步的限定。

本实施例所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置，第二聚束透镜8的焦距为40cm。

本实施例采用gcl-010214型号的透镜作为第二聚束透镜，选用gcd-5701m型号的光阑。

实施例六：本实施例是对实施例一所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置作进一步的限定。

本实施例所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置，光电探测器9为ccd探测器。

本实施例采用gci-050104型号的ccd探测器。

实施例七：本实施例是对实施例一所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置作进一步的限定。

本实施例所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置，连续激光器为632nm氦氖激光器。

本实施例的632nm氦氖激光器具有优良的功率稳定性和频率稳定性，输出波长632nm的线偏振高斯光，横模为tem00，光束发散角小于1mrad。

实施例八：下面结合图3详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一至七任意一项所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置作进一步的限定。

本实施例所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置还包括正l阶的螺旋相位板10，l为正整数且小于或等于5，正l阶的螺旋相位板10设置在光阑6与遮挡物7之间的光路上。

本实施例的正l阶的螺旋相位板用于判断涡旋光束的拓扑荷数的正负，具体判断方法为：

步骤一、采用实施例一所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置获取涡旋光束的拓扑荷数；

步骤二、在光阑6与遮挡物7之间的光路上设置正l阶的螺旋相位板10，当光电探测器9中像的亮光斑数增加时，步骤一获取的涡旋光束的拓扑荷数为正，当光电探测器9中像的亮光斑数减少时，步骤一获取的涡旋光束的拓扑荷数为负。

本实施例所述的基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置，通过增设的正l阶的螺旋相位板来判断涡旋光束的拓扑荷数的正负，更加全面地获取涡旋光束的轨道角动量信息。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。