[发明专利]一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的方法

摘要

本发明涉及一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置及方法，属于数字全息技术领域。本发明装置包括半导体激光器、显微物镜空间滤波器、准直透镜、分光棱镜Ⅰ、平面反射镜、分光棱镜Ⅱ、空间光调制器、分光棱镜Ⅲ、分光棱镜Ⅳ以及光电耦合器件。本发明方法利用装置的一臂生成涡旋光束作为物光，另一臂作为参考光，利用全息干涉原理将涡旋光束的波前相位信息以干涉条纹的形式记录下来，后期数字重构出其相位分布，根据涡旋光束的定义即可根据其重构出的相位分布获取其拓扑电荷数。本发明解决了当前测定涡旋光束的拓扑电荷数方法需要特定仪器或设备，或现有测定方法操作复杂，稳定性差，可靠性低的问题。

主权项

一种基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：A、搭建基于改进型马赫曾德干涉仪测定涡旋光束拓扑电荷数的装置：半导体激光器（1）距显微物镜空间滤波器（2）为0.15m‑0.2m，准直透镜（3）的前焦面恰好位于显微物镜空间滤波器（2）的出瞳位置，分光棱镜Ⅰ（4）距准直透镜（3）为0.08m‑0.15m，分光棱镜Ⅰ（4）与分光棱镜Ⅱ（6）在同一条水平线上，分光棱镜Ⅰ（4）与分光棱镜Ⅲ（8）在同一条垂直线上，分光棱镜Ⅲ（8）与分光棱镜Ⅳ（9）在同一条水平线上，分光棱镜Ⅱ（6）与分光棱镜Ⅳ（9）在同一条垂直线上，分光棱镜Ⅰ（4）、分光棱镜Ⅱ（6）、分光棱镜Ⅲ（8）和分光棱镜Ⅳ（9）在光学平台上构成一个矩形光路，平面反射镜（5）在分光棱镜Ⅱ（6）垂直向上方向的距离为0.03m‑0.05m，空间光调制器（7）在分光棱镜Ⅲ（8）水平向左方向的距离为0.03m‑0.05m，光电耦合器件（10）在分光棱镜Ⅳ（9）水平向右方向的距离为0.1m‑0.15m，平面反射镜（5）在分光棱镜Ⅱ（6）垂直向上方向的距离与空间光调制器（7）在分光棱镜Ⅲ（8）水平向左方向的距离相等；B、打开半导体激光器（1）、空间光调制器（7）和光电耦合器件（10）的电源；C、半导体激光器（1）发出的激光通过显微物镜空间滤波器（2）扩束滤波后由高斯光束变为球面波，球面波激光由准直透镜（3）发散成平面波；所述平面波由分光棱镜Ⅰ（4）分为透射和反射两路光束：C1、由分光棱镜Ⅰ（4）分出的透射光路沿直线传播到达分光棱镜Ⅱ（6）的反射面上，光束反射到平面反射镜（5）上后再反射回分光棱镜Ⅱ（6）并透射过分光棱镜Ⅱ（6）传播到分光棱镜Ⅳ（9）的反射面，光束反射到光电耦合器件（10）表面，这一路光束为参考光；C2、由分光棱镜Ⅰ（4）分出的反射光路沿直线传播到达分光棱镜Ⅲ（8）的反射面上，光束反射到空间光调制器（7）上，利用电脑驱动，在空间光调制器（7）上加载一幅叉形光栅，以调制出涡旋光束，调制出的涡旋光束沿直线传播透射过分光棱镜Ⅲ（8）和分光棱镜Ⅳ（9）后到达光电耦合器件（10）表面，这一路光束为物光；D、在光电耦合器件（10）表面，物光和参考光产生干涉条纹，调节分光棱镜Ⅳ（9）对参考光的反射角度，使物参夹角合适恰当，光电耦合器件（10）表面上出现的干涉条纹均匀稳定，并使用电脑驱动光电耦合器件（10）将干涉条纹记录到磁盘驱动器；E、将光电耦合器件（10）记录的全息图读入MATLAB中，对其做傅里叶变换，取出频谱中的正一级，再对提取出来的信息做逆傅里叶变换得到正一级全息图，使用菲涅尔衍射计算再现，提取相位，通过判定涡旋光束的相位分布来测定其拓扑电荷数l；步骤E可具体分述为如下：E1、频谱分离：对全息图进行傅里叶变换，然后提取出正一级的频谱，再对其做逆傅里叶变换得到正一级全息图；E2、数字再现算法：用菲涅尔衍射算法对正一级全息图进行再现得到物体的复振幅信息；E3、再现像相位的提取：在MATLAB中使用angle命令对复振幅信息进行相位提取，并对提取的相位进行消参考光；E4、得到拓扑电荷数l：根据涡旋光束对于相位的定义，判定相位的分布范围信息，得到涡旋光束的拓扑电荷数l；F、改变空间光调制器（7）中所加载的叉形光栅的拓扑电荷数l的取值，重复步骤D‑E，测定出涡旋光束的拓扑电荷数l。