一种判断部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利提供一种判断部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法。该方法可 应用于相干度较低的部分相干涡旋光系统，属于部分相干光学测量领域。
【背景技术】
[0002] 光学涡旋出现在光场中的奇异点。该位置处，光场的振幅为零相位无法被定义。在 光场奇异点附近，等相面呈现螺旋形分布。这种螺旋形式的相位分布，使得携带有光学涡旋 的光束具有轨道角动量，因而在光学俘获，原子操纵，信息存储和量子通信等许多邻域表现 出巨大的应用前景。有关光学涡旋的研究迅速发展，成为现代光学的一个重要分支。
[0003] 在光学涡旋的研究和应用中，如何判断涡旋方向是一个热点问题。众所周知，掌握 光学涡旋的方向信息，相当于为光存储和光量子通信提供了一个额外自由度，可使通信光 束携带的数据量成倍增加。此外，获知涡旋方向及其空间分布还有助于涡流干涉仪中连续 相位检测的进行。因此，光束涡旋方向的判断方法引起了人们的广泛关注。许多判断光涡旋 方向的方法相继提出。然而，目前有关于光涡旋方向的判断方法都局限在相干光领域。针对 部分相干涡旋光的涡旋方向判断方法还存在空缺。部分相干的涡旋光束在激光加工、光镊、 自由空间光通信等方面具有独特的优势，且实际应用中的涡旋光束并不都是理想的完全相 干光，部分相干光是光束更加一般的存在状态。因此，研究部分相干涡旋光的涡旋特点并对 其涡旋方向进行判断具有重要意义。
[0004] 部分相干拉盖尔-高斯光束是一种具有相干祸旋结构的部分相干光束 (F.Wang, Y.Cai, and 0· Korotkova，"PartialIy coherent standard and elegant Laguerre-Gaussian beams of all orders，"0pt. Express 17, 22366 (2009))，在自由光 通信、量子信息交换等领域具有广泛应用前景。文献（Effect of spatial coherence on determining the topological charge of a vortex beam， APPLIED PHYSICS LETTERS 101，261104 (2012))提出了一种测量部分相干涡旋光束拓扑荷大小的方法，但是该方法只 能获得涡旋大小无法获得涡旋方向。目前实验测量部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的 方法及装置尚处于空缺状态。
【发明内容】
[0005] 本发明专利的目的是在于克服现有技术的不足，提供一种测量方法简单，数据处 理方便的部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的测量方法。
[0006] 实现本发明目的的技术方案是提供一种测量部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方 向的方法，测量方法包括以下步骤：
[0007] (1)将待测量的部分相干拉盖尔-高斯光束通过第一个分光镜，分成参考光和信 号光；将上述信号光在自由空间传输距离 Z(]，然后通过两个互相垂直且放置位置间隔距离 1。的柱面透镜，到达位于第二个柱面透镜后z处的关联系统测量平面；通过关联系统测得 在该测量平面处信号光束交叉光谱密度的不对称空间分布w( P 2, Z)，其中P2是垂直光轴 平面上的横向空间位置P2= (x2，y2);
[0008] (2)将通过第一个分光镜后获得的上述参考光，在自由空间传输距离zQ+l Q+z后， 到达光强测量平面，通过光束分析系统测得该测量平面上的光强空间分布I ( P 2, z);
[0009] (3)根据上述得到的信号光束交叉光谱密度分布W( P 2，z)和参考光光强空间分布 I ( p 2, z)，计算出待测部分相干拉盖尔-高斯光束的一阶相干度空间分布μ ( p 2, z)，按式
[0011] 其中1(0, Ζ)是光强测量平面上光轴中心处参考光光强。
[0012] 本发明所述的一种判断部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法：上述关联测 量平面上的信号光交叉光谱密度分布W( P 2，ζ)按式
[0014] 其中，λ是信号光波长，k = 2 31 / λ是信号光波数，i是单位虚数，P和1分别表 示该光束的拉盖尔径向指数和方位指数，参数m，n，h，s，d，Cl，c2,山，ei，e 2是非负整数；ω。 是信号光初始束腰宽度，σ g是信号光初始横向相干宽度；q是信号光光束种类指数，取值 0 = 和q= 1，分别代表光束为标准拉盖尔高斯模式和优雅拉盖尔高斯模式；ε表示信号 光相干涡旋的方向，其取值ε =1或ε =-1，分别代表涡旋左旋或右旋；HjO表示指数为 j的厄米多项式；g是信号光模式权重因子，按式
[0020] 式中，A1,GPB1,/分别表示A1, 2和B1,2的共辄，f JPf2分别表示两个柱面透镜的 焦距。
[0021] 实现本发明目的的技术方案是提供一种测量部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方 向的方法，测量步骤还包括：
[0022] (1)设置第二个柱面透镜到关联系统测量平面之间的距离，使得z = z。，获得具有 极大空间分布不对称性的交叉光谱密度图样W( P 2, z。)，其中z。按式
[0024] 上式z。有两个取值，需要通过下面方式筛选出有效值：分别在两个z。值处用关联 系统测量信号光束交叉光谱密度分布W( P 2, z。)，其中一个z。对应的交叉光谱密度分布图 样具有极大的空间分布不对称性，此时对应的z。即为有效值；
[0025] (2)设置z为该有效z。，用关联系统测量该处的信号光交叉光谱密度分布W( P 2， z。）；再调整第一个分光镜到光强测量平面的距离为2。+1。+\，利用光束分析系统测量该处 的参考光光强分布I (P2, z。）；计算获得具有偏转对称轴的一阶相干度图样μ (P2, z。）；该 一阶相干度分布图的对称轴偏转方向即为部分相干拉盖尔-高斯光束的祸旋方向。
[0026] 本发明的有益效果是：
[0027] 1.本发明提出一种新型的可以测量部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的方法。 本发明提出的方法实用于相干度较低或者较差的系统。
[0028] 2.本发明所采用的部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋测量装置，光路简单，测量方 法可靠直观，数据处理方便。
[0029] 3.本发明不需要借助其他特殊光学元件，且装置稳定好。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明实施例中提供的一种判断部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的测 量装置示意图。
[0031] 图2是采用本发明实施例提供的一种判断部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向的 测量装置，测得不同涡旋拓扑荷数1和不同涡旋方向ε在（a)l = 1，ε = 1，Z = Z。，（b)l =1，ε = -1，z = zc，（c) I = 3，ε = 1，z = zc，I = 3，ε = -1，z = Zc处所对应的部分 相干拉盖尔-高斯光束一阶相干度函数l+l〇g[ μ (P 2,0, z)]的空间分布图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释， 也是本发明比较好的应用形式，但本发明并不局限于以下实施例。
[0033] 参见图1所示，它是本实施例提供的一种部分相干拉盖尔-高斯光束涡旋方向测 量装置的结构示意图：它包括拉盖尔-高斯关联的部分相干光源1 ;第一个分光镜2 ;聚光 透镜3 ;光束分析仪4 ;第一个柱面透镜5 ;第二个柱面透镜6 ;第二个分光镜7 ;聚焦透镜8、 9 ;单光子计数器10-1和10-2 ;符合计数器11 ;计算机12。
[0034] 本实施例中，所述拉盖尔-高斯关联的部分相干光源1产生一束部分相干拉盖 尔-高斯涡旋光束；该光束具有相干涡旋结构，其相干涡旋的旋转方向即为本发明的测量 对象；将所述部分相干拉盖尔-高斯祸旋光束通过第一个分光镜2分为反射光束和投射光 束；反射光束即是本发明的参考光，它经聚光透镜3聚焦后通过位于透镜焦点处的光束分 析仪4 ;该光束分析仪4连接计算机