[发明专利]部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及系统

说明书

本发明涉及一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及系统，所述方法包括：将部分相干光束转化为携带相位因子的待测试部分相干涡旋光束；将进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别穿过多孔阵列板；对穿过所述多孔阵列板的光束进行傅里叶变换；分别拍摄傅里叶变换后光束的光强信息；对拍摄得到的光强进行实时反傅里叶变换、筛选阵列筛选以及反传输处理，获得待测涡旋光束的拓扑荷分布结构。本发明本发明结构合理，涡旋光束拓扑荷的测量处理过程过程简单、耗时极短。

技术领域

本发明涉及一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及系统。

背景技术

涡旋光束是一类具有涡旋型波前和中央暗核结构的特殊光束，其携带的相 位因子exp(ilθ)决定了该光束的每一个光子具有的轨道角动量，其中l代表拓扑 荷。近年来，光镊技术、光子计算、光数据存储和量子通信技术的发展正是得 益于对涡旋光束轨道角动量的利用：轨道角动量可以被传递到微粒上并用以控 制微粒平行移动和旋转。对两相互作用的涡旋光束的拓扑荷进行简单的算术操 作以实现数值控制的目的。通过涡旋光束随传输距离所显现的不同衍射成像特性来对数据态进行分区，从而实现高数据存储。同时也可以对轨道角动量进行 信息编码使其成为信息传输的载体。

高相干性是激光束的一个重要特性，但是经过后续研究人们发现当激光相 干性降低时，光束同样可以保持激光原有特性(单色性、高亮度和高方向性等)， 甚至在某些特定领域较高相干性激光束具有一定优势。比如，在自由光通信中 提升信噪比和降低比特误差率、实现相干衍射成像和鬼成像等。随后，人们将“涡 旋”引入到这种部分相干光，并用部分相干涡旋光束来描述这种低相干性涡旋光 束。部分相干涡旋光束在自由空间光通信、光学捕获等领域比其对应的相干光束在某些方面具有一定的优势。比如，它会减弱大气湍流引起的光强闪烁的影 响，它能在同一系统中同时捕获两种不同折射率(高、低折射率)的粒子等。

上述这些应用依赖于确定的轨道角动量或拓扑荷，而轨道角动量L与拓扑 荷l之间有确定的数值对应关系，即根据这一对应关系可知测量出涡旋 光束的拓扑荷，也就测量出其携带的轨道角动量，所以对涡旋光束、尤其是部 分相干涡旋光束的拓扑荷的测量也就成为科研工作者关注的焦点。

目前，对拓扑荷的测量对象集中在完全相干光，主要有光强分析法、衍射 法和干涉法三大类，其中光强分析法中的典型代表是频谱分析法，衍射法中的 典型代表是三角光阑衍射法，干涉法中的典型代表是双缝干涉法和共轭干涉法。

光强分析法(即频谱分析法)只能测量拓扑荷的数值大小，无法从频谱图 中判断出拓扑荷的符号。

三角光阑衍射法测量结果较为直观，通过计数形成的三角截断晶格阵列的 边缘任意一列的光斑数量就可判定出拓扑荷数值大小，符号也能通过阵列朝向 轻易判断，但是它的测量值有限，最大待测拓扑荷lmax＝7，l7时的阵列晶格 光斑就无法区分。再者，对光路中的重要元件三角光阑有特定的精度要求，即 制备较为复杂。

双缝干涉法虽然能直观的判断出拓扑荷符号，但是对于拓扑荷数值的判定 只能定性的判定不能给出定量的评判标准，即扭曲幅度和拓扑荷数值之间没有 严格的数值对应关系，因为扭曲幅度不仅与拓扑荷数值有关，还与双缝宽度及 双缝到观察屏的距离有关。共轭干涉法虽然效果也很直观，分辨度高，但它只 能测量拓扑荷的数值大小，对于拓扑荷的符号却无法判定。

除此之外，上述拓扑荷测量方法目前都只适用于完全相干涡旋光束，对于 部分相干涡旋光束并不完全适用。比如，待测涡旋光束相干度会影响其对应的 空间频谱图的分布，当相干度降到一定值时，频谱图中的暗环数与拓扑荷数值 的对应关系被打乱，甚至不会出现暗环，也就无法判断出拓扑荷大小。衍射图 样和干涉图样也会随着相干度的降低而变得模糊不清，以致于不能通过对应的图样去判断拓扑荷数值或符号。

鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种部分相干光 条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及系统，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容