一种测量光束涡旋的装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种测量光束涡旋的装置。其结构为：按携带涡旋的光束入射方向依次设置长轴相互垂直的第一柱面镜和第二柱面镜，在距离第二个柱面镜的反位相平面上设置一个电荷耦合器件，电荷耦合器件测量得到的光强分布数据输入计算机。本实用新型根据测量得到的光强分布数据，计算得到光束在平面上关联结构的二维分布，用于判断被测光束所携带的涡旋数目和涡旋方向。本实用新型利用相互垂直的柱面镜组合的光学系统和关联函数计算方法，能精确测量光束所携带的涡旋的方向和数目，适用于信息存储、光学通信、粒子操控等领域。测量装置简单实用，测量精确，具有实际应用价值。
【专利说明】
_种测量光束满旋的装置
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种测量光束涡旋的装置，能精确测量光束所携带的涡旋的方向 和数目，适用于信息存储、光学通信、粒子操控等领域，属于应用光学技术领域。
【背景技术】
[0002] 光束涡旋是指光场中的奇点，在此位置点的光场强度和位相都没有定义，此外，在 此点附近光场的波前分布呈螺旋状，因此被命名为光束涡旋。由于光场位相的螺旋状分布， 光束涡旋就可以携带有轨道角动量，正因如此，光束涡旋具有广泛的应用价值，比如在光束 的俘获、原子操控、信息存储、以及通信技术等领域具有广泛的应用前景。根据光束涡旋的 螺旋位相的几何形状，可用拓扑荷数来描述其在一个波长范围内所携带的完整的螺旋个 数。拓扑荷数一般是整数且可以为正或者负，正负取决于螺旋的方向，一般来讲，左旋的螺 旋数方向为正，右旋的螺旋数为负。（参见文献：P. Coullet, L. Gil and F. Rocca, "Optical vortices," Opt. Commun· 73， 403-408 (1989))〇
[0003] 正因如此，如何来判断光束涡旋的方向和数目在实际应用中具有重要的价值。例 如，在光学存储和通信中可以通过光束涡旋的方向和数目提高存储的密度和信息容量;在 涡旋干涉仪中产生的光学涡旋晶格的方向分布可以用来用于连续位相测量等等。以往光束 祸旋方向和数目的判定主要采用自干涉法(参见文献:K. Piotr, M. Borwinska, and J. Masajada, "Optical vortex sign determination using self- interference methods," Optica Applicata XL, 165-175 (2010))、反位相变换法（参见文献：S. Prabhakar, A. Kumar, J. Banerji, and R. P. Singh, "Revealing the order of a vortex through its intensity record," Opt. Lett. 36, 4398-4400 (2011))、失谐透 镜法（参见文献：P. Vaity, J. Banerji, and R. P. Singh, "Measuring the topological charge of an optical vortex by using a tilted convex lens," Phys. Lett. A 377，1154-1156 (2013))等等，这些方法的基本原理是将圆对称的光束涡旋的强 度分布转化成椭圆对称的厄米模式分布形式，然后通过椭圆厄米模式模数以及椭圆长轴方 向，确定光束涡旋拓扑荷数的数目和方向。然而，这些测量光束涡旋方法的局限性在于:都 只能利用强度分布测量相干长度较大的光束。
[0004] 现有技术还提出了利用关联测量拓扑荷数的方法(参见文献:Chengliang Zhao， Fei Wang, Yuan Dong, Yujing Han and Yangjian Cai, "Effect of spatial coherence on determining the topological charge of a vortex beam," Appl. Phys. Lett. 101，261104 (2012))。但是，以上方法都不能够同时测量出低相干长度的光 束所携带的涡旋数目和方向。在实际的应用中发现，低相干长度的涡旋光束在光束的传输、 光束的整型以及粒子俘获等等，对比与高相干性的光束更具优势。而且，在自然界中绝大部 分的光束的相干长度都很低(比如太阳光、LED等等）。如何来测量这一大类的光束的拓扑荷 数具有重要的研究价值，但是到目前为止，还没有文献提出如何测量低相干长度光束拓扑 荷数的大小和方向的方法和装置。
[0005] 综上所述，光束涡旋在因其特殊的位相分布形式，可以携带轨道角动量，并可以应 用于光束的俘获、原子操控、信息存储、以及通信技术等领域具有重要的应用价值。因此，如 何测量出光束所携带的涡旋尤其是低相干长度光束所携带的涡旋具有重要的实用价值。
【发明内容】
[0006] 本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种测量光束涡旋的装置，能够精确 的测量光束所携带的涡旋，包含涡旋的数目和涡旋方向，在微粒俘获、原子操控、信息存储、 以及通信技术等等领域具有重要的实际应用价值。
[0007] 为了达到上述的目的，本实用新型采用的技术方案是提供一种测量光束涡旋的装 置，按携带涡旋的光束入射方向依次设置长轴相互垂直的第一柱面镜和第二柱面镜，在距 离第二个柱面镜的反位相平面上设置一个电荷耦合器件，电荷耦合器件测量得到的光强分 布数据输入计算机。
[0008] 本实用新型技术方案中，反位相平面z按如下公式计算得到：
[0009]
[0010] 其中，ZO为被测光束的光源与第一柱面镜间的距离，心为第一柱面镜的焦距，I0为 第二柱面镜与第一柱面镜间的距离，f 2为第二柱面镜的焦距。
[0011] 本实用新型提供一种测量光束涡旋装置的具体结构：ZO为SOcmd1Ssocl^l0S 6cm，f2为20cm。一种测量光束涡旋的方法，包括如下步骤：
[0012] 利用本实用新型提供的测量装置，其测量步骤包括：
[0013] 1、将携带涡旋的被测光束(偏振方向为X或y方向）通过第一个柱面镜，柱面镜的长 轴为水平或垂直放置，光源与柱面镜的距离为zo,柱面镜的焦距为f 1;
[0014] 2、从第一个柱面镜出射的涡旋光束再经过与第一个柱面镜长轴垂直放置的第二 个柱面镜，第二个柱面镜距离第一个柱面镜的距离为1〇,第二个柱面镜的焦距为f 2;
[0015] 3、测量第二个柱面镜的反位相平面z上的光强分布，反位相平面z按公式：
卜算得到；
[0016] 4、根据测量得到的光强分布数据，计算得到光束在平面z上关联结构的二维分布， 判断被测光束所携带的涡旋数目和涡旋方向；涡旋数目为(n_l)/2,其中η为关联的条纹数 目；涡旋方向为:关联条纹长轴指向偏左+1，偏右-1。
[0017] 本实用新型将在反位相平面上测量得到的光强分布数据输入计算机，计算光束在 该平面上关联结构的二维分布，计算方法可参考文献:F. Wang, X. Liu, Υ. Yuan, and Y. Cai, "Experimental generation of partially coherent beams with different complex degrees of coherence," Opt. Lett. 38， 1814-1816 (2013)。
[0018] 本实用新型技术方案提供的测量光束涡旋的系统:待检测的涡旋光束首先垂直通 过一个长轴为水平放置的柱面镜;经过调制的光束接着垂直入射通过一个长轴垂直放置的 柱面镜;被调制后的光束被放置于此光学系统的反位相平面上的电荷耦合器件接收;根据 接收和记录的光强信息，利用关联结构函数的表达式计算出此平面上光束的关联结构的二 维分布;根据此时的关联结构函数的二维平面分布得到待检测涡旋光束的拓扑荷数和涡旋 方向。
[0019] 由于以上技术方案的应用，本实用新型的技术优点在于：
[0020] 1、本实用新型技术方案利用相互垂直的柱面镜组合的光学系统测量光束涡旋的 信息，提供的一种测量光束涡旋的拓扑荷数和涡旋方向的系统，并利用关联函数来同时判 定光束涡旋的拓扑荷数和涡旋方向的方法，能够测量出任意相干度的携带涡旋的光束的拓 扑荷数和涡旋方向。
[0021] 2、本实用新型技术方案提供的测量涡旋光束的系统，简单实用，测量精确，具有重 要的实际应用价值。
【附图说明】
[0022] 图1是本实用新型实施例提供的一种测量光束涡旋的拓扑荷数和涡旋方向的系 统的结构示意图；
[0023] 图2是本实用新型实施例提供的待测光束涡旋为+1时，测量平面上光强等高分 布图；
[0024] 图3是本实用新型实施例提供的待测光束涡旋为+1时，经过测量光学系统后测 量平面上的关联结构的等高分布图；
[0025] 图4是本实用新型实施例提供的待测光束涡旋为-1时，测量平面上光强等高分 布图；
[0026] 图5是本实用新型实施例提供的待测光束涡旋为-1时，经过测量光学系统后测 量平面上的关联结构的等高分布图；
[0027] 图6是本实用新型实施例提供的待测光束涡旋为+2时，测量平面上光强等高分 布图；
[0028] 图7是本实用新型实施例提供的待测光束涡旋为+2时，经过测量光学系统后测 量平面上的关联结构的等高分布图；
[0029] 图8是本实用新型实施例提供的待测光束涡旋为-2时，测量平面上光强等高分 布图；
[0030] 图9是本实用新型实施例提供的待测光束涡旋为-2时，经过测量光学系统后测 量平面上的关联结构的等高分布图；
[0031]图中，1、待测光束涡旋源;2、长轴水平放置的第一柱面镜;3、长轴垂直放置的第二 柱面镜;4、电荷耦合器件;5、微型计算机。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案做进一步描述。
[0033] 实施例1:
[0034] 参见附图1，它是本实施例提供的一种光束涡旋测量装置的结构示意图，该装置包 含:待测光束涡旋源1，柱面镜2，柱面镜3，电荷耦合器件4，用于计算处理的微型计算机5。
[0035] 由待测光束涡旋源1发出的光束涡旋源，光束涡旋源可以为任意的携带涡旋位相 的光束;光束源发出的光束自由传输ZQ后，经过柱面镜2(长轴水平或垂直放置），所述柱面 镜的焦距为f1;经由该柱面镜调制过的光束，垂直入射至柱面镜3(长轴垂直与柱面镜2的长 轴），所述的柱面镜的焦距为f2;经过以上两个相互垂直放置的柱面镜调制过的光束被放置 于该光学系统反位相平面上的电荷耦合器件4接收;所述的电荷耦合器件为黑白CCD，分辨 率为4.4*4.4um 2;被电荷親合器件所接收的光强信息经由微型计算机5存储，经由微型计算 机运算关联结构得到该平面上的二维关联函数分布。利用得到的关联结构函数的二维平面 分布，就可以得到光束涡旋的拓扑荷数和涡旋方向。其中拓扑荷数可以通过关联结构的模 数确定，涡旋方向通过关联结构函数二维分布的定向角度确定。
[0036] 关联结构函数表示为如下式(1)的形式：
[0037]
(1)
[0038] 其中:为两个分别位于:.?:和:?处的归一化的关联结构，_雜为电场分布， #1??;!为图片上任意一个像素点的坐标值。实际测量中选择关联结构的模函数:|f_為；)|。
[0039] 利用本实施例提供的上述光束涡旋测量装置，其具体的测量操作步骤如下：
[0040] 1、由光束源1出射的任意携带涡旋位相的光束，相干长度为任意的；
[0041] 2、所出射的光束源经过一定距离传输后，垂直入射到一个平凸柱面镜2,长轴为水 平或垂直放置；
[0042] 3、经过柱面镜2调制的光束，接着垂直入射到一个平凸柱面镜3,长轴垂直与柱面 镜2的长轴；
[0043] 4、经过调制后的光束被放置于此光学系统反位相平面上的电荷耦合器件4所接 收；
[0044] 5、被接收到的光束经由微型计算机5存储并进行分析，根据测量得到的光强分布 数据，计算光束在此平面上关联结构的二维分布，（计算方法参考文献:F. Wang，X. Liu， Y. Yuan, and Y. Cai, "Experimental generation of partially coherent beams with different complex degrees of coherence," Opt. Lett. 38，1814-1816 (2013))。根据计算得到的关联结构二维分布，即可判断出此时光束所携带的涡旋数目，涡 旋数目为(n-l)/2,其中η为关联的条纹数目；涡旋方向为:关联条纹长轴指向偏左+1，偏右_ 1〇
[0045] 本实施例中，光束源是一个圆对称的部分相干拉盖尔光束源，在光源平面上其交 叉谱密度函数为式(2)所示：
[0046]
[0047] 其中，？啸为交叉谱密度函数; 光源平面平面上的任意两点的坐标;P，1分别为拉盖尔函数&的阶数，一般情况下，假定1为 零^为拓扑荷的方向系数(+1或为虚数符号；为共辄符合；为二项式系数 表达式；为厄米函数；"exp"为e指数函数;咚和)?分别为光束的束腰半径和相干长度。 此处，？，*就是待测光束涡旋的拓扑荷数和涡旋的方向。经过测量该光束经过以上所述的装 置，测量光束在该装置的反位相平面上的归一化的关联结构函数就可以得到这两个参数的 具体数值。
[0048]当光束源经过设定好的光学系统后其在反相位面上的光束的交叉谱密度函数为 式(3)所示： LUUWJ ⑶
[0053]其中,1?.??分别为垂直于光轴反相位平面上的任意两点的坐标;z为 传播的距离；"det"代表行列式的值;f/』为波数，J:为波长;A，B，C，D为光学 系统的矩阵表示值，具体表示为：
[0055]其余参数表示为以下形式：
[0062] 本实施例以光束祸旋检测的方法和装置为例，选取参数::? ，备二:_赫^胃.:， 么:_ ; :?賴績3'，计算得出:2: = 300.哪;。
[0063] 根据测量得到的光强分布数据，计算光束在此平面上关联结构的二维分布。根据 计算得到的关联结构二维分布，即可判断出此时光束所携带的涡旋数目（涡旋数目为U-1)/2,其中η为关联的条纹数目）和涡旋方向（关联条纹长轴指向偏左+1，偏右-1)。
[0064] 参见附图2,它是本实施例提供的待测光束涡旋为+1时，测量平面上光强等高分布 图；参见附图3,它是本实施例提供的待测光束涡旋为+1时，经过测量光学系统后测量平面 上的关联结构的等高分布图；参见附图4,它是本实施例提供的待测光束涡旋为-1时，测量 平面上光强等高分布图；参见附图5,它是本实施例提供的待测光束涡旋为-1时，经过测量 光学系统后测量平面上的关联结构的等高分布图；参见附图6,它是本实施例提供的待测光 束涡旋为+2时，测量平面上光强等高分布图；参见附图7，它是本实施例提供的待测光束涡 旋为+2时，经过测量光学系统后测量平面上的关联结构的等高分布图；参见附图8,它是本 实施例提供的待测光束涡旋为-2时，测量平面上光强等高分布图；参见附图9，它是本实施 例提供的待测光束涡旋为-2时，经过测量光学系统后测量平面上的关联结构的等高分布 图。
【主权项】
1. 一种测量光束涡旋的装置，其特征在于：按携带涡旋的光束入射方向依次设置长轴 相互垂直的第一柱面镜(2)和第二柱面镜(3)，在距离第二个柱面镜的反位相平面上设置一 个电荷耦合器件(4)，电荷耦合器件测量得到的光强分布数据输入计算机(5)。2. 根据权利要求1所述的一种测量光束涡旋的装置，其特征在于:所述的反位相平面z 按如下公式计算得到：其中，Z0为被测光束的光源与第一柱面镜间的距离，匕为第一柱面镜的焦距，1〇为第二 柱面镜与第一柱面镜间的距离，f2为第二柱面镜的焦距。3. 根据权利要求1所述的一种测量光束涡旋的装置，其特征在于:所述的Z0为50(^，&为 20cm，1。为 6cm，f2 为 20cm。
【文档编号】G01J11/00GK205426349SQ201620141709
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年2月25日
【发明人】刘显龙, 蔡阳健, 陈君
【申请人】苏州大学