[发明专利]一种利用偏振调制离焦强度检测拓扑荷的方法

说明书

本发明公开一种利用偏振调制离焦强度检测拓扑荷的方法，待测涡旋光束首先经过偏振调制系统，经调制后的待测涡旋光束通过高数值孔径透镜聚焦到其焦点区域；焦点的光斑经过4‑f系统成像于CCD检测面；逐渐增大偏振调制系统的偏振阶数P，当待测涡旋光束的拓扑荷l与偏振调制系统上的偏振阶数P数值的绝对值相等时，CCD检测面上观测的光斑呈现最小实心形状，从而可知拓扑荷l的大小；观察CCD检测面上光斑的螺旋方向获取待测涡旋光束拓扑荷l的方向，本发明能够实现任意偏振涡旋光束的拓扑荷检测。

技术领域

本发明属于涡旋光学和量子光学的技术领域，具体涉及一种利用偏振调制离焦强度检测拓扑荷的方法。

背景技术

涡旋光(Optical Vortices)具有exp(ilφ)相位项(其中φ为切向角，l为拓扑荷，可取任意整数)，其相位在光束的横截面呈不均匀分布。研究表明，涡旋光束的角动量特性与涡旋相位项有关，其中拓扑荷l可以取任意的整数。从而，携带不同拓扑荷的角动量光束构成了一个无限大正交的轨道角动量态空间，使其具有大容量信道的通信潜力。因其独特的角动量性质，涡旋光束已成功应用于量子信息、等离激元、信息存储等各领域。如今，涡旋光的轨道角动量已经成为该领域的研究热点。因此，检测涡旋光束的拓扑荷，从而确定光束的轨道角动量态，对涡旋光角动量信息的研究有极其重要的价值。

现有的拓扑荷检测方法，大致可以分为基于干涉和基于衍射强度的检测方法。最初，有学者提出干涉仪测量法，能够分离出多个轨道角动量态(J.Leach.Phys.Rev.Lett.,88(25):257901,2002.)，但属于双光路干涉方法，实施困难。在后续研究中，出现了越来越多的涡旋光拓扑数的测量方法，例如：圆环孔径法，通过观察衍射亮环个数确定涡旋光拓扑数，但是该方法不能检测拓扑荷的方向，并且检测能力有限(Opt.Lett.,34(23):3686-3688,2009.)；环形孔径离轴衍射方法，利用离轴环形孔径衍射导致的涡旋奇点分裂来检测拓扑荷，但衍射图案现象极其不明显(Opt.Lett.42(7):1373-1376,2017)。由此可见，现有的涡旋光束检测方法，面临检测装置冗杂、衍射强度图案复杂，检测能力弱，不能实时可控等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用偏振调制离焦强度检测拓扑荷的方法，能够实现任意偏振涡旋光束的拓扑荷检测。

实现本发明的技术方案如下：

一种利用偏振调制离焦强度检测拓扑荷的方法，其过程为：待测涡旋光束首先经过偏振调制系统，偏振调制系统的偏振矢量为：

其中，和分别表示待测涡旋光束横截面上沿x轴和y轴方向的单位矢量，p为偏振阶数，r和φ分别表示光束横截面某点的径向和切向坐标；经调制后的待测涡旋光束通过高数值孔径透镜聚焦到其焦点区域；焦点的光斑经过4-f系统成像于CCD检测面；逐渐增大偏振调制系统的偏振阶数P，当待测涡旋光束的拓扑荷l与偏振调制系统上的偏振阶数P数值的绝对值相等时，CCD检测面上观测的光斑呈现最小实心形状，从而可知拓扑荷l的大小；观察CCD检测面上光斑的螺旋方向获取待测涡旋光束拓扑荷l的方向。

进一步地，所述4-f系统的放大倍率不少于200倍。

有益效果：

第一、本发明提出了一种新型的拓扑荷检测方法，该方法在光学测量、光的角动量信息分析等领域的有重要应用。

第二、本发明研究了涡旋相位和偏振的互相作用对紧聚焦电场的影响，推动了对涡旋光物理本质的探索，促进了其在各领域的应用。

第三、本发明可实现拓扑荷大小和方向同时检测，仅观察光斑形状即可得到涡旋光拓扑荷的全部信息。该检测方法具有物理原理清晰、实时可控、衍射强度图案简单、可实现任意涡旋光束拓扑荷的检测。

附图说明

图1为本发明涡旋光束检测装置示意图。