[发明专利]测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法及系统

说明书

本发明公开了一种测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法及系统，该方法包括：记录待测部分相干涡旋光束的光强；对待测部分相干涡旋光束引入三次不同相位赋值的扰动；对扰动后的待测部分相干涡旋光束进行傅里叶变换，并记录三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强；根据三次不同相位赋值和三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强，通过反傅里叶变换得到待测部分相干涡旋光束的交叉谱密度函数；利用交叉谱密度函数和待测部分相干涡旋光束的光强得到待测部分相干涡旋光束的复相干度；绘出复相干度的相位分布图，相位分布图中相干奇点的数目即为拓扑荷数，根据相干奇点周围相位变化的旋向确定拓扑荷正负，逆时针为正，顺时针为负。

技术领域

本发明涉及光学测量领域，特别涉及一种测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法及系统。

背景技术

奇点光学作为现代光学的重要分支，吸引了国内外大量研究者的关注。所谓奇点，即光场中某些参数无法定义的点，例如Nye和Berry提出并定义的相位奇点，最典型的相位奇点是涡旋光束，完全相干条件下，涡旋光束中心光强为零，而相位呈现螺旋结构渐变，其交叉中点相位不确定，即为相位奇点。

涡旋光束在激光微粒俘获、显微操控、信息编码以及光学信息传输方面有着巨大的应用前景，1992年，Allen等人提出相位为的涡旋光束，每一个光子都携带一个轨道角动量其中，l为拓扑荷数，因此，对涡旋光束拓扑荷的测量是一项非常重要的工作，针对完全相干或相干度较高的涡旋光束，测量拓扑荷的方法主要分为三种：干涉法、衍射法和光强分析法，但当相干度降低，原有的针对完全相干或相干度较高的涡旋光束的拓扑荷测量方法将逐渐失效。而针对部分相干涡旋光束的拓扑荷测量，利用交叉关联函数(cross-correlation function，CCF)和拓扑荷数的关系只能测量拓扑荷数的大小，无法获取拓扑荷正负信息。而在实际应用中，部分相干涡旋光束在激光加工、光镊以及原子冷却等方面有着独特的优势。目前，缺少一种能够对部分相干涡旋光束的拓扑荷数大小、正负信息进行有效测量的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何测量部分相干涡旋光束的拓扑荷数大小和正负信息。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种测量部分相干涡旋光束拓扑荷数大小和正负的方法，包括：

记录待部分相干测涡旋光束的光强；

对所述待测部分相干涡旋光束引入三次不同相位赋值的扰动；

对扰动后的待测部分相干涡旋光束进行傅里叶变换，并记录三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强；

根据三次不同相位赋值和三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强，通过反傅里叶变换得到待测部分相干涡旋光束的交叉谱密度函数；

根据复相干度的定义，利用所述交叉谱密度函数和待测部分相干涡旋光束的光强得到待测部分相干涡旋光束的复相干度；

绘出复相干度的相位分布图，所述相位分布图中相干奇点的数目即为拓扑荷数，根据相干奇点周围相位变化的旋向确定拓扑荷正负，其中逆时针为正，顺时针为负。

作为本发明的进一步改进，所述根据三次不同相位赋值和三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强，通过反傅里叶变换得到待测部分相干涡旋光束的交叉谱密度函数，具体包括：

首先，在不引入扰动的情况下，待测部分相干涡旋光束在傅里叶平面的光强表示为：

I₀(ρ)＝∫∫W(r₁,r₂)exp[-i2πρ(r₁-r₂)]dr₁dr₂

其中W(r₁,r₂)是待测部分相干涡旋光束的交叉谱密度，当在r＝r₀处引入扰动，光强表达式变成：