[实用新型]部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统。

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。

现有拓扑荷测量系统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系统，使其更具有产业上的利用价值。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种将待测对象从完全相干光扩展到部分相干光，不仅能测量拓扑荷数值大小，还能判断出拓扑荷符号，且现象直观明显，处理过程简单，不需要进行繁冗的数值求解，整个过程耗时极短的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量系统。

为达到上述目的，本实用新型部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的系统，包括：部分相干光束传输路径上依次设置的将部分相干光束转化为携带相位因子的待测部分相干涡旋光束的涡旋相位板、用于对待测部分相干涡旋光束截取有效观测范围的光斑和对待测部分相干涡旋光束进行相位扰动并截取有效观测范围的光斑的空间光调制器、多孔阵列板、对穿过所述多孔阵列板的没有进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束和进行相位扰动的待测部分相干涡旋光束分别进行傅里叶变换的傅里变换单元、光强拍摄装置以及计算机；所述光强拍摄装置设置在傅里叶平面处，所述待测部分相干涡旋光束的计算机电连接所述的空间光调制器、光强拍摄装置。

2、根据权利要求1所述的部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量的方法，其特征在于，所述涡旋相位板为一块具有固定折射率的透明板，其中一端是规则的平面结构，另一端是一个类似旋转台阶的不规则螺旋面结构，螺旋面的厚度会随着方位角的增加而增加；产生的部分相干涡旋光束拓扑荷数值及符号由所述涡旋相位板的螺旋面结构决定。

进一步地，所述多孔阵列板为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔位于多个二维阵列孔围成的中心区域内，且所述参考孔的右边界距离其右侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δx，所述参考孔的下边界距离其下侧相邻二维阵列孔的直线距离为Δy，其中，Δx＝Δy≠a/2，a是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔；所述参考孔对准入射的待测部分相干涡旋光束。

进一步地，所述多孔阵列板与空间光调制器之间的距离z≥aD/λ，其中，a 是多孔阵列板上的各二维阵列孔间的间隔，D是截取出的有效观测范围的光斑尺寸，λ是光源的波长；