[发明专利]一种测量分数阶关联涡旋光束拓扑荷的装置

说明书

本发明公开了一种测量分数阶关联涡旋光束拓扑荷的装置。包括：激光器产生分数阶关联涡旋光，调整光束光斑大小使其能覆盖全息型相位板；测量分数阶关联涡旋光的交叉谱密度函数(CCF)，并观测该函数空间中待测关联涡旋光横截面上分数拓扑荷(FTC)缺口位置；在空间光调制器上加载数字全息相位板并调整其方位角，使数字全息相位板产生的CCF缺口与待测关联涡旋的FTC缺口重合；使用小孔光阑选取空间光调制器反射出的一级衍射光；改变数字全息相位板的相位差；使待测光场CCF中FTC缺口与相位板缺口的重合处呈现：缺口出现‑缺口消失‑缺口出现；使用这三个现象所对应的相位差，计算FTC的小数部分，结合整数拓扑荷部分得出关联涡旋光分数阶拓扑荷的最终值。

技术领域

本发明提供一种测量分数阶关联涡旋光束拓扑荷的装置。该装置可以测量分数阶关联涡旋光束中的拓扑荷数值的小数部分，可应用于光学图像编码、光通信、微粒操纵、光学囚禁和光探测等领域。

背景技术

光学涡旋是具有相位奇点的螺旋分布波，在强度分布的中间出现暗区。螺旋相位扭曲波前，用指数项exp(ilθ)表示，其中θ为旋转方位角，l表示拓扑荷。在近轴传播条件下，光学涡旋中的每个光子都具有的拓扑荷，其中表示普朗克常量。拉盖尔-高斯光束、高阶贝塞尔光束和超几何高斯光束是一些著名的涡旋光束。

涡旋束的涡旋状态可以在整数值的基础上考虑分数阶，其中分数阶涡旋状态是整数涡旋束状态基础的叠加。分数阶涡旋光(Fractional Vortex)具有螺旋形的相位结构，中心光强为零，光斑存在独特径向缺口，含有确定拓扑荷(Orbital Angular Momentum，简记为OAM)等特性，这些特性使分数阶涡旋光在非线性光学，生物医学，光通信等领域有广泛的应用前景。

关联涡旋光是光涡旋经过大气湍流的一种随机光场，此光源更加接近真实环境的光源，其在实际生产生活中的应用具有重要意义。我们称这种随机光束为部分相干涡旋光(PCVB)。分数阶部分相干涡旋光，因为包含有拓扑荷小数部分，极大地提高了涡旋光信息的承载量，是光学图像编码和光通信的一个新方向。

目前，分数阶拓扑荷(FTC)的测量方法有以下几种。比如，通过级联Mach-Zehnder干涉仪获得涡旋光束与其共轭光束之间的干涉强度图，以此来测量FTC；另一种方法是利用动态角双狭缝法测量涡旋光束的FTC。这些方法所使用的光路比较复杂，在实际应用中实现有一定困难，且大多仅适用于一种特定的涡旋光束。

文献Hosseini-Saber M A,Akhlaghi E A,Saber A.Diffractometry basedvortex beams fractional topological charge measurement[J].Optics Letters,2020,45(13):3478-3481.报道了一种测量分数阶涡旋光束拓扑荷的方法。该方法使用具有一定厚度的相位板，通过控制其倾斜角度来测量分数阶涡旋光束的拓扑荷小数部分。但是，该方法依赖于涡旋光束的衍射光强分布特征，只能测量完全相干涡旋光的拓扑荷。在扰动环境下，光场相干性下降，光强衍射图案的结构特征将消失。因此，该方法无法测量分数阶关联涡旋光的拓扑荷小数部分。此外，该技术所使用的相位板倾斜角度和旋转的角度易受环境扰动影响，不易实现量化控制，容易产生较大实验误差，影响测量精确度。以上是目前分数阶涡旋光拓扑荷测量尚未解决的主要问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种测量分数阶关联涡旋光束拓扑荷的装置。本发明提供的装置将相位板写入全息片中，通过改变全息片的方位角和相位差来量化控制出射光场的关联函数空间分布。利用光场二阶关联函数的分布特征来测量分数阶关联涡旋光的拓扑荷。

实现本发明目的的技术方案是提供一种测量分数阶关联涡旋光束拓扑荷的装置，包括以下步骤：