[发明专利]一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置及方法，属于数字全息技术领域。

背景技术

数字全息技术是计算机技术和传统光学全息相结合的产物，采用数字化的记录和再现方法，能够较为方便地获取物体的振幅信息和相位信息，其中相位信息是恢复物体三维形貌的重要参数。数字全息技术是用光电耦合器件（如CCD或CMOS）代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的再现和处理。数字全息术与传统光学全息术相比具有成像速度快，记录和再现灵活等优点。近年来， 随着计算机技术特别是高分辨率CCD制造加工工艺的发展，数字全息技术及其应用受到越来越多的关注，其应用范围已涉及形貌测量、变形测量、粒子场测试、数字显微、防伪、三维图像识别、医学诊断等诸多领域。

1992年Allen等人发现具有 相位结构形式的光束，也就是涡旋光束的一个特征是其每个光子都具有轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM），这种光束的一个典型实例是拉盖尔-高斯光束。由于涡旋光束带有轨道角动量，在粒子囚禁与操控，量子信息编码等领域都有广泛的应用。因此作为影响这些应用最重要参数的涡旋光轨道角动量受到广泛关注，探测涡旋光束的轨道角动量量子数也即拓扑电荷数l进而成为近几年涡旋光束研究的热点课题。

涡旋光束的产生方法有利用螺旋相位板、光在粗糙表面的散射以及特殊设计的合成计算全息图衍射获得涡旋光束等。如用空间光调制器，通过加载不同的计算全息图可以方便地产生不同拓扑电荷数l的涡旋光束。

目前，测定涡旋光束的拓扑电荷数主要是从涡旋光束的干涉、衍射和散射特性出发，根据涡旋光束在经过上述三个物理过程中产生的一系列特殊现象，间接地可以判定出涡旋光束的拓扑电荷数。Jonathan Leach等人提出的M-Z干涉装置；Gregorius C.和G. Berkhout提出的多孔干涉仪（multipoint interferometer）；Ruifeng Liu等人提出的角向双缝干涉仪，都是利用干涉测定涡旋光束拓扑电荷数的典型例子，从得到的特殊干涉图样可以分析拓扑电荷数与图样中光斑的关系得出l。Koh Saitoh等人则通过涡旋光束经叉形光栅（forked grating）衍射后的分布准确得出入射涡旋光束的拓扑电荷数，而刘曼则利用拉盖尔-高斯光束照射弱随机散射屏，分析散射光的近场分布获得涡旋光束的拓扑电荷数。

当前用来测定涡旋光束的设备或仪器中，需要有特殊制备的仪器，如Dove棱镜，多孔干涉仪，角向干涉仪，叉形光栅或弱随机散射屏等，这类仪器或设备存在利用率低、制备困难，精度要求高等困难，本发明提出的基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置不需要特殊的仪器或设备，它以分光棱镜和反射镜以及光电耦合器件即可完成对涡旋光束拓扑电荷数的测定。

上述方法都是从涡旋光束的性质入手，通过与之相关的各种物理现象来确定拓扑电荷数，且研究主要集中在整数阶，对于分数阶拓扑电荷数的涡旋光束还未能有很准确的定量测定方法。本发明从涡旋光束的特殊相位分布特性入手，提出利用数字全息技术获取涡旋光束拓扑电荷数的方法，通过全息干涉图将涡旋光束的相位分布记录下来并再现，实现涡旋光束相位结构的全面表征。实验结果表明，重构出的涡旋光束相位具有与拓扑电荷数l相关的螺旋结构，与涡旋光束对相位的定义相吻合。利用该发明对涡旋光束的拓扑电荷数的测量结果为涡旋光束本质结构的研究以及轨道角动量量子数传输信息的利用提供了一定的参考。

发明内容

本发明提供了一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置及方法，用于解决当前测定涡旋光束的拓扑电荷数方法需要特定仪器或设备，这些设备需要较高成本或需要特殊制备，或现有测定方法操作复杂，稳定性差，可靠性低的问题。