[发明专利]一种扇形子孔径微透镜阵列测量涡旋光束拓扑荷数的方法和装置

权利要求书

1.一种扇形子孔径微透镜阵列测量涡旋光束拓扑荷数的方法，所述的扇形子孔径微透镜阵列：不同于方形子孔径微透镜阵列，扇形子孔径微透镜阵列为环形排布，每个环上再等分为相同大小的扇形透镜，成圆对称分布，n×n的扇形微透阵列有n/2个环带，每个环带上有(2m-1)×4个扇形微透镜，最里面的到最外围的环带有依次为第1、第2、...、第m个环带，m＝1、2、...、n/2，一共有n²个扇形微透镜，n为偶数，其特征在于，步骤如下：

步骤1：待测涡旋光束入射到扇形微透镜阵列，由于其子透镜为扇形状，所以微透镜阵列先对波前进行分割，将波前分割成一个个扇形子波前，每个子波前经过对应的扇形子透镜进行聚焦，在其焦平面上得到光斑阵列，由于其螺旋的相位分布，聚焦的光斑会偏离光轴；

步骤2：使用置于扇形子孔径微透镜阵列焦平面上的电荷耦合器件记录产生的光斑阵列；

步骤3：根据电荷耦合器件上所得的光斑阵列，使用计算机通过质心算法分析得到光斑偏移的方向和偏移量大小，得到待测涡旋光束的拓扑荷数大小和符号。

2.一种实现权利要求1所述的扇形子孔径微透镜阵列测量涡旋光束拓扑荷数方法的装置，其特征在于：包括激光器(1)、衰减片(2)、显微物镜(3)、针孔滤波器(4)、准直透镜(5)、空间光调制器(6)、孔径光阑(7)、第一透镜(8)、第二透镜(9)、扇形子孔径微透镜阵列(10)、电荷耦合器件(11)、计算机(12)；激光器(1)和空间光调制器(6)之间依次设有衰减片(2)、显微物镜(3)和针孔滤波器(4)组成的滤波器和准直透镜(5)；空间光调制器(6)和电荷耦合器件(11)之间依次设有孔径光阑(7)、第一透镜(8)、第二透镜(9)和扇形子透镜微透镜阵列(10)；电荷耦合器件(11)与计算机(12)相连。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述衰减片(2)置于激光器发出的激光光路中，用于衰减激光光强，保证入射到电荷耦合器件上的光子数不会超出其动态范围，衰减片(2)可以是两块偏振器件或者其他衰减光强的光学元件。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的显微物镜(3)和针孔滤波器(4)组成滤波系统，用于滤去激光器发出的高频杂光。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的准直透镜(5)置于针孔滤波器后方的激光光路中，用于准直滤波后的光束。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的空间光调制器(6)加载产生所需的涡旋光束的全息图，生成不同拓扑荷数的涡旋光束，实际应用中，还可以采用螺旋相位板、Q板或光纤方法来产生所需要的涡旋光束。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的孔径光阑(7)置于空间光调制器(6)后，用于滤除其他衍射级次的光束和杂散光。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的第一透镜(8)和第二透镜(9)组成扩束或缩束系统，置于孔径光阑(7)后的光路中，用于调节光束尺寸，调节之后的光束直径d₂＝d₁f₂/f₁，d₁为经过孔径光阑(7)的光束的直径，f₁,f₂分别为第一透镜(8)和第二透镜(9)的焦距。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的扇形子孔径微透镜阵列(10)置于孔径光阑后的光路中，用于测量待测涡旋光束，其排布方式不局限于n×n的排布，可以是子透镜为扇形的其他排布方式。

10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的电荷耦合器件(11)置于扇形子孔径微透镜阵列(10)的焦平面上，用于接收每个子孔径聚焦的光斑；所述的计算机(12)与电荷耦合器件(11)相连，显示来自电荷耦合器件接收的焦平面处的光斑阵列，并计算得到光斑阵列的光斑偏移方向和偏移量，进而得到涡旋光束的拓扑荷数。