[发明专利]一种基于三步相移法的涡旋光模式检测方法

说明书

本发明涉及一种基于三步相移法的涡旋光模式检测方法。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，三步相移法是一种相位测量方法。首先，制备目标涡旋光的全息图，在此基础上叠加三束相移分别为0、0.5π、π的一维光栅，得到三张新的全息图，通过空间光调制器法在相同平面依次记录初始涡旋光的强度分布和三束相移涡旋光的干涉分布，结合相位公式得到涡旋光的复振幅分布；其次，通过计算机将该复振幅分布与不同拓扑荷数的标准涡旋光基进行卷积运算可得到目标涡旋光的模式度和模式纯度，实现目标涡旋光的模式分析。本方法光路简洁，灵活性强，属于涡旋光检测领域，可应用于复杂涡旋光的模式检测。

技术领域

本发明涉及一种基于三步相移法的涡旋光模式检测方法，涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，三步相移法是一种相位测量方法，通过三步相移法可测得涡旋光的复振幅分布，结合模式分析可得到目标涡旋光的模式度和模式纯度。本方法光路简洁，灵活性强，属于涡旋光检测领域，可应用于复杂涡旋光的模式检测。

技术背景

涡旋光是一种具有螺旋波阵面和特殊光强分布的光场，拉盖尔高斯光就是一种典型的涡旋光。近年来因涡旋光在光学操控、光通信、光学微测量等领域中具有广泛应用价值而饱受关注。光场中的涡旋现象最初由Boivin、Dow和Wolf于1967年在透镜组的焦平面附近发现。1973年，Bryngdahl首次开展了对制备涡旋光实验方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用连续激光成功制备了涡旋光。1990年Yu、Bazgenov V首次使用光栅法完成了涡旋光的制备。

在实验室条件下，空间光调制器法是一种常用的涡旋光制备方法。空间光调制器通过控制电场引起液晶显示器空间相位或振幅图像的变化，从而将一定的信息写入光波中，实现对光波的调制。通过制备涡旋光的全息图样并加载到空间光调制器，用一束线偏振高斯光照射空间光调制器，出射光即为涡旋光。

涡旋光的相位中含有角相位因子exp(ilθ)，其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，θ为方位角，该角相位因子说明涡旋光在传播过程中，若绕光轴传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2πl；螺旋形相位的中心是一个相位奇点，该处的相位不确定，并且光场振幅为零，因此在光场中心处形成了中空暗核。拓扑荷数作为涡旋光的重要参数，一般不能通过光强信息直接测得。

目前常用的涡旋光检测手段主要有三种：干涉法、衍射法和模式转换法。干涉法主要利用平面波、球面波或手性涡旋光与涡旋光进行干涉，通过干涉条纹的数目判断涡旋光的拓扑荷数；衍射法使涡旋光透射具有特定形状的小孔或光栅形成特殊的衍射光斑，通过衍射条纹判断涡旋光的拓扑荷数；模式转换法利用两组柱透镜使涡旋光转换为厄米特高斯模式，具有较好的鲁棒性。然而，上述前两种方法由于干涉或衍射条纹的密集分布，不适用于大拓扑荷数涡旋光的检测，且涡旋光的相位判读存在符号误差；第三种方法实验装置虽然简单但需要较大的实验精度才可实现。

在实验室环境下，三步相移法可以弥补上述不足，三步相移法使用空间光调制器进行涡旋光的制备，空间光调制器体积小，使用便利，通过控制加载的全息图像可灵活制备高质量的涡旋光；三步相移法相位计算准确，光路误差小，适合复杂涡旋光的模式分析。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对目前涡旋光的模式检测较为困难、方法较为单一，提出了一种基于三步相移法的涡旋光模式分析方法，该方法光路简洁，灵活性强，仅需在特定平面记录三幅不同的目标涡旋光束干涉图样和一张相同位置的强度分布图，即可得到目标涡旋光束在该位置的复振幅分布及拓扑荷数，通过计算机将该复振幅分布与不同拓扑荷数的标准涡旋光基进行卷积运算可得到目标涡旋光的模式度和模式纯度，从而实现目标涡旋光的模式分析。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于三步相移法的涡旋光模式分析方法，其主要包括以下步骤：

(1)制备目标涡旋光束的复振幅调制全息图，加载到空间光调制器，在一特定位置记录目标涡旋光束的强度分布。