基于光强分析的部分相干涡旋光束拓扑荷测量装置及方法

本发明涉及拓扑荷测量，具体涉及基于光强分析的部分相干涡旋光束拓扑荷测量装置及方法。

背景技术：

1、随着信息时代的发展，社会和用户对信息的需求愈加膨胀，人们对于通信业务的需求不再局限于短信与通话，这对通信容量与传输速率提出了新的要求和挑战。目前通信领域多采用复用的方式来扩大通信容量，这一定程度上缓解了通信容量无法满足用户需求的矛盾，但是其发展已经遇到了瓶颈。因此，寻找一种新技术来提高通信容量尤为重要。其中具有轨道角动量的涡旋光束成为了近年来光通信领域的热点。

2、具有螺旋波前和相位奇点的光学涡旋已经发展成为光学领域的一个重要分支，被称为奇点光学。涡旋光束的本质特征是携带轨道角动量。近年来，携带轨道角动量的涡旋光束的研究进展使光束的应用发生了革命性的变化，如光学微操纵、大容量光通信和超分辨成像等。现有技术的应用多数基于已知的拓扑荷，因此对拓扑荷的测量显得尤为重要。

3、目前常见的测量拓扑荷的方法主要分两大类：一类是基于干涉和衍射技术，另一类是基于涡旋光束强度的傅里叶变换方法。然而，第一种方法往往涉及复杂的干涉装置或不可预知的复杂衍射图样；第二种方法通常需要一个数据处理过程，在实验上不能做到直观测量。并且，随着相干性的降低，上述两种方法都会失效。而在实际应用中，光束更多是以部分相干光的形式存在，而大多数的测量是通过关联函数法实现的，需要采集足够多的瞬时光强才能得到结果，无法做到实时测量，从而导致时间成本较高；另外它无法实现拓扑荷符号的测量；并且只能测量以本征模作为基模构建的部分相干涡旋光束。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供基于光强分析的部分相干涡旋光束拓扑荷测量装置及方法，用以解决现有技术中无法对以非本征模作为基模构建的部分相干涡旋光束的拓扑荷的大小和符号进行实时测量的方法，降低测量的时间成本的技术问题。

2、一方面，本发明提供了基于光强分析的部分相干涡旋光束拓扑荷测量装置，包括：

3、固体激光器、线偏振片、第一透镜、毛玻璃、第二透镜、高斯滤波片、空间光调制器、筛选单元、第五透镜、电荷耦合器件和处理单元；

4、所述固体激光器用于发射激光；

5、所述线偏振片用于从所述激光中选出水平方向偏振的光，得到水平偏振光；

6、所述第一透镜用于对所述水平偏振光进行聚焦，得到聚焦光；

7、所述毛玻璃用于将所述聚焦光打散，得到非相干光；

8、所述第二透镜用于对所述非相干光经过传输得到的部分相干光进行准直，得到准直光；

9、所述高斯滤波片用于对所述准直光进行整形，得到高斯谢尔模光束；

10、所述空间光调制器用于对所述高斯谢尔模光束进行调制，得到第一高斯谢尔模涡旋光束；

11、所述筛选单元用于对所述第一高斯谢尔模涡旋光束进行筛选，得到第二高斯谢尔模涡旋光束；

12、所述第五透镜用于对所述第二高斯谢尔模涡旋光束进行聚焦，得到第三高斯谢尔模涡旋光束；

13、所述电荷耦合器件用于采集所述第三高斯谢尔模涡旋光束的光强图，根据所述光强图得到拓扑荷的大小和符号；

14、在一些可能的实现方式中，所述筛选单元包括第三透镜、光阑和第四透镜；

15、所述第三透镜用于对所述第一高斯谢尔模涡旋光束进行聚焦，得到聚焦高斯谢尔模涡旋光束；

16、所述光阑用于根据所述聚焦高斯谢尔模涡旋光束选出一级衍射光斑，得到不含其他衍射级次的目标聚焦高斯谢尔模涡旋光束；

17、所述第四透镜的焦平面为耦合过交叉相位的高斯谢尔模涡旋光束的光源面，用于将所述目标聚焦高斯谢尔模涡旋光束发送至所述第五透镜，得到第二高斯谢尔模涡旋光束。

18、在一些可能的实现方式中，所述电荷耦合器件用于根据所处的不同位置与所述第五透镜的距离，得到不同传输距离的光强图。

19、在一些可能的实现方式中，还包括：第一计算机；

20、所述第一计算机用于生成的含有涡旋相位与交叉相位的全息片，以使所述空间光调制器根据所述全息片对所述高斯谢尔模光束进行调制，加载涡旋相位与交叉相位，得到耦合过交叉相位的第一高斯谢尔模涡旋光束。

21、在一些可能的实现方式中，还包括：第二计算机；

22、所述第二计算机用于控制所述电荷耦合器的曝光时间和所述光强图的采集频率。

23、在一些可能的实现方式中，还包括：处理单元；

24、所述处理单元用于读取光强图，通过所述光强图中分离出的暗条纹数量和暗条纹排列方向得到拓扑荷的大小和符号。

25、在一些可能的实现方式中，所述毛玻璃产生的非相干光经过一定传输距离变成部分相干光，再经过一定传输距离变成完全相干，相干性的高低通过控制第一透镜与毛玻璃之间的距离、毛玻璃的粗糙程度以及第二透镜的焦距来调整。

26、另一方面，本发明还提供了基于光强分析的部分相干涡旋光束拓扑荷测量方法，包括：

27、通过所述固体激光器发射激光，通过所述线偏振片从所述激光中选出水平方向偏振的光，得到水平偏振光；

28、通过所述第一透镜对所述水平偏振光进行聚焦，得到聚焦光，通过所述毛玻璃将所述聚焦光打散，得到非相干光；

29、通过所述第二透镜对所述非相干光经过传输得到的部分相干光进行准直，得到准直光，通过所述高斯滤波片对所述准直光进行整形，得到高斯谢尔模光束；

30、通过所述空间光调制器对所述高斯谢尔模光束进行调制，得到第一高斯谢尔模涡旋光束，通过所述筛选单元对所述第一高斯谢尔模涡旋光束进行筛选，得到第二高斯谢尔模涡旋光束，通过所述第五透镜对所述第二高斯谢尔模涡旋光束进行聚焦，得到第三高斯谢尔模涡旋光束；

31、通过所述电荷耦合器件采集所述第三高斯谢尔模涡旋光束的光强图，根据所述光强图得到拓扑荷的大小和符号。

32、在一些可能的实现方式中，所述通过所述空间光调制器对所述高斯谢尔模光束进行调制，得到第一高斯谢尔模涡旋光束，包括：

33、根据第一计算机生成的含有涡旋相位与交叉相位的全息片对所述高斯谢尔模光束进行调制，加载涡旋相位与交叉相位，得到耦合过交叉相位的第一高斯谢尔模涡旋光束。

34、在一些可能的实现方式中，所述第二高斯谢尔模涡旋光束、所述第三高斯谢尔模涡旋光束均是耦合过交叉相位的高斯谢尔模涡旋光束。

35、采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的基于光强分析的部分相干涡旋光束拓扑荷测量装置，将涡旋相位和交叉相位与高斯谢尔模光束耦合，通过光强图发现交叉相位可以使高斯谢尔模涡旋光束的光强分裂成几个明暗相间的条纹，其中，暗条纹的数目等于拓扑荷的大小，暗条纹的排列方向可判断拓扑荷的符号(正负)。并且可以通过调控交叉相位实现待测光束在传输过程中所携带拓扑荷的大小和符号的有效测量，这也就极大的提高了拓扑荷测量的灵活性。本发明在自由空间光通信方面具有重要应用。

36、针对目前在光通信领域中，因为环境影响，使光束相干性降低，无法有效测量拓荷的技术难题。本发明克服了现有测量方法中，需要通过关联函数法才能测量拓扑荷的大小的情况，可以实时的通过光强图测量拓扑荷的大小和符号，降低了时间成本，同时可以通过调cp实现在传输过程中拓扑荷大小和符号的测量，提高了拓扑荷测量的灵活性。