[发明专利]一种基于相移技术的对称叠加态涡旋光的一次性测量方法

说明书

本发明涉及一种基于相移技术的对称叠加态涡旋光的一次性测量方法。该方法包括两种策略：一种是用于振幅测量的环提取策略，另一种是用于相位测量的旋转测量策略。在概念验证实验中，对复振幅进行了表征，并对模式纯度进行了测量。该方法可用来评估生成的对称叠加态涡旋光的质量，所需时间短，可以表征对称叠加态涡旋光的复振幅，仅需极少时间即可实现模式纯度的测量，虽使用了相移技术，但已不再需要额外的参考光进行干涉。本方法具有良好的灵活性、快速性和鲁棒性，可适用于各种场合和恶劣条件。

技术领域

本发明涉及一种基于相移技术的对称叠加态涡旋光的一次性测量方法，通过提取圆环径向上的最大强度，可通过干涉强度恢复原来的单分量强度，该环提取策略可应用于对称叠加态涡旋光中原始单个分量振幅测量。通过简单的旋转图片操作替换实际中的相移操作，很快得到四种干涉强度，这种旋转策略可用于对对称叠加态涡旋光中原始单个分量相位的测量。

技术背景

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。1992年，L.Allen发现了在近轴条件下带有相位因子的涡旋光束具有轨道角动量，其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，为方位角；每个光子携带的轨道角动量，为约化普朗克常数，该角相位因子说明涡旋光在传播过程中，若光束传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2πl。

涡旋光作为一种具有螺旋波阵面的新型结构光束，在光通信、粒子微操控、运动探测、光学微测量等领域具有重要的应用价值。拉盖尔-高斯光是一种典型的涡旋光，光束中的光子不仅具有自旋角动量(SAM)，也具有轨道角动量(OAM)，拓扑荷数决定了OAM的大小。完整的单一态拉盖尔-高斯光束具有圆环形的强度分布和中空暗核，光束中心强度为零的区域被定义为相位奇点。涡旋光束根据相位奇点的类型可分为两类，一类是光场的偏转方向相同，奇点的相位不确定，称为相位涡旋光；另一类是奇点的偏振方向不确定，称为矢量涡旋光，拉盖尔-高斯光是一种相位涡旋光。多种单一模式的涡旋光叠加可得到叠加态涡旋光，具有与单一态涡旋光不同的强度和相位分布。

涡旋光的制备是开展涡旋光研究的基础，常用的制备方法包括模式转换法、计算全息法、空间光调制器法、Q板法和矩阵螺旋相位板法。在实验室条件下，空间光调制器法是一种常用的制备方法。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。通过复振幅调控技术制备叠加态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，出射光即为叠加态涡旋光束。

目前叠加态涡旋光模式检测的通用方法是模式分解，将一个叠加态涡旋光场分解成多个单一模式的相干和，每个模式具有特定的振幅加权和相位。目前，常用的方法是用一个空间光调制器逐个扫描多幅不同的全息图，通过测量每种模式下的光场强度得到模式纯度，该方法只能测量单一涡旋光的模式纯度。而基于相移技术的自干涉方法，只需采集不同相移条件下的叠加态涡旋光强度分布，即可实现叠加态涡旋光的模式纯度测量。

模式纯度测量对于拓展应用具有重要意义。在涡旋光的实际应用过程中，进行叠加态涡旋光的模式纯度测量可以评估光束质量，对于光学微操作和光学旋转多普勒效应等应用具有重要意义。在实验室环境下，使用空间光调制器在制备叠加态涡旋光的同时实现模式纯度测量具有诸多优点，空间光调制器使用便利，通过相移技术与自干涉不再需要额外的参考光，通过模式分解即可快速得到叠加态涡旋光中单分量模式纯度。

复振幅测量是光场描述的必要前提。本专利提出了一种一次性测量方法：只用一张CCD记录的图片来描述对称叠加态涡旋光(SSOVs)的复振幅。该方法包括两种策略。一种是用于幅度测量的环提取策略，另一种是用于相位测量的旋转测量策略。在概念验证实验中，对复振幅进行了表征，并对模式纯度进行了测量。

发明内容