[发明专利]一种测量光束涡旋的方法及其装置

说明书

本发明公开了一种测量光束涡旋的方法及其装置。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。本发明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。本发明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。

技术领域

本发明涉及一种测量光束涡旋的方法及其装置，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

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)）。

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。以往光束涡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- interferencemethods,” 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 avortex 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 thetopological 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。