[发明专利]基于光强分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量分数阶涡旋光束拓扑荷值的方法，具体的说是涉及一种利用光强分析测量分数阶涡旋光束拓扑荷值测量方法。

背景技术

由于涡旋光束在玻色-爱因斯坦凝聚、量子信息编码、粒子囚禁、光镊及光扳手等领域具有重要的应用前景，成为近年来信息光学领域一个非常重要的研究热点。由于涡旋光束的拓扑荷值(即光子轨道角动量)是携带了光束的信息和能量，因此，精确测量拓扑荷值是涡旋光束研究时首先要解决的问题。

从目前研究看，涡旋光束拓扑荷值的测量主要分为干涉测量和衍射测量。其中，P. VaⅠty利用倾斜双凸透镜的迈克尔逊干涉光路测量了整数阶涡旋[Optics Letters,37(2012)1301-1303]，通过数干涉亮条纹数可测量拓扑荷值为14以内的涡旋光束；而典型的衍射测量方法有三角孔衍射法，该方法可测量7以内的拓扑荷值[Optics Letters,36(2011)787-789]。但这两种方法都是通过数干涉/衍射条纹数测量来实现，仅能达到半整数阶（0.5阶）精度[A. Mourka et al., Optics Express 19 (2011) 5760]的拓扑荷值测量。

因此，如何实现任意阶（0.1阶）精度的拓扑荷值的测量是该技术领域面临的一个亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种能实现任意阶（0.1阶）精度的基于光强分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量方法。

本发明所采用的技术方案为：基于光强分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量方法，该方法利用由准直扩束器、分束镜Ⅰ、分束镜Ⅱ、道威棱镜、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、成像透镜、CCD相机Ⅱ和计算机Ⅱ构成的装置进行检测，待测涡旋光束经准直扩束器扩束后照射在分束镜Ⅰ上，分为透射光束和反射光束；透射光束照射在一道威棱镜上，经过道威棱镜后，照射在反射镜Ⅰ上，反射后照射在分束镜Ⅱ上； 反射光束照射在反射镜Ⅱ上，反射后照射在分束镜Ⅱ上；透射光束和反射光束经分束镜Ⅱ合束后，经成像透镜后在CCD相机中干涉成像，CCD相机记录的干涉条纹图传输进计算机进行处理。

基于光强分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量装置的测量方法，主要为：

将待测涡旋光束与其共轭光束相干涉，并记录干涉条纹图；

若干涉条纹图亮条纹分布具有圆对称性，则利用公式                                               ，求得涡旋光束的拓扑荷值，其中，m为拓扑荷值，n为亮斑个数；

若干涉条纹亮斑分布不具有圆对称性但具有轴对称性且各个亮斑的强度相同，则通过公式，求得涡旋光束的拓扑荷值，其中，n₁为亮斑个数，e₁的值通过干涉图样对称轴上两个光强极大值的比值来确定；

若干涉条纹亮斑分布不具有圆对称性但具有轴对称性且各亮斑的强度不同时，则通过公式，求得涡旋光束的拓扑荷值，其中，n₂为强度相同的亮斑个数，e₂的值通过干涉图样对称轴上两个光强极大值的比值来确定。

基于光强分析的分数阶涡旋光束拓扑荷值测量装置的测量方法，具体的步骤如下：

步骤一、利用光束分束装置将拓扑荷值为m的待测涡旋光束分为两束光，将其中一束光倒置，变为待测光束的共轭光束；

步骤二、待测涡旋光束与其共轭涡旋光束相互干涉，形成的干涉图案在CCD相机中成像；然后，储存进计算机；

步骤三、利用计算机对干涉条纹图进行处理，若干涉条纹图亮条纹分布具有圆对称性，则利用公式，求得涡旋光束的拓扑荷值，其中，m为拓扑荷值，n为亮斑个数；

步骤四、若干涉条纹亮斑分布不具有圆对称性但具有轴对称性且各个亮斑的强度相同，则通过公式，求得涡旋光束的拓扑荷值，其中，n₁为亮斑个数，e₁的值通过干涉图样对称轴上两个光强极大值的比值来确定；

步骤五、在步骤四条件下，若，则，此时待测光束的拓扑荷值为；

步骤六、在步骤四条件下，若，则，此时待测光束的拓扑荷值为；

步骤七、在步骤四条件下，若，则，此时待测光束的拓扑荷值为；

步骤八、在步骤四条件下，若，则，此时待测光束的拓扑荷值为；