[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

说明书

本发明涉及一种扇形子孔径微透镜列测量涡旋光束拓扑荷数的方法和装置，本发明的核心元件是扇形子孔径微透镜阵列，呈圆对称分布，其子透镜为扇形状，更好的契合涡旋光束的螺旋相位结构。待测涡旋光束入射到扇形子孔径微透镜阵列上，经过扇形子孔径微透镜阵列分割聚焦后，在其焦平面上得到光斑阵列，通过分析计算光斑阵列的光斑偏移方向和偏移量大小，可以得到涡旋光束拓扑荷数的符号和大小。不同于传统的方形子孔径微透镜阵列，使用扇形子孔径微透镜阵列误差更小，相比于传统的干涉法和衍射法本发明不用引入额外的参考光束，而且能对拓扑荷数较大的涡旋光束进行测量，测量方法简单快速，测量装置更直观简洁。

技术领域

本发明属于光学测量领域，涉及一种测量涡旋光束拓扑荷数的方法，具体涉及一种使用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

背景技术

涡旋光束是具有螺旋形相位结构的一种特殊光场，在其传播方向的光轴上强度为零且存在相位奇点，每个光子都携带有轨道角动量。早在1992年，Allen等人证明了复振幅表达式中含有相位项的光束具有大小的轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)，其中l为量子数或拓扑荷数，其物理意义表示围绕光束中心旋转一周，相位变化2πl，拓扑荷数的符号表示不同的相位螺旋方向；为角向坐标，定义为由于涡旋光束携带有OAM的性质，使得其在粒子俘获与操纵、光通信、物体探测等领域有着广泛的应用。因此在各应用中，测量涡旋光束的OAM值具有非常重要的意义，即测量其拓扑荷数。

国内外学者在测量涡旋光束拓扑荷数上做了很多研究，目前测量方法主要以干涉法和衍射法为主。衍射法主要是通过设计各类衍射元件(衍射孔、衍射光栅、衍射屏)，干涉法主要是将待测涡旋光束与其他光束(平面波、球面波等)干涉，这两类方法都是通过衍射或干涉图样来判断涡旋光束的拓扑荷数大小和符号。干涉法需要理想的参考光束，光路复杂，且容易受环境干扰，而衍射法要使用特殊的衍射元件。这两类方法针对拓扑荷数为整数且较小的涡旋光束能够很好的测量，对于大拓扑荷数的涡旋光束，衍射法和干涉法由于环境的干扰和衍射干涉图样的密集条纹分布，会使测量结果误差增大。

有关微透镜阵列测量涡旋光束的拓扑荷数，最早在2007年，F.A.Starikov等人使用夏克-哈特曼波前探测器对拓扑荷数为1拉盖尔-高斯光束进行了波前探测，并做了波前复原，(Starikov F A,Kochemasov G G,Kulikov S M,et al.Wavefront reconstructionof an optical vortex by a Hartmann-Shack sensor[J].Optics letters,2007,32(16):2291-2293.)，使用的是方形子孔径的微透镜阵列，但测量误差比较大。

发明内容

本发明的目的在于为了解决以上的不足，根据涡旋光束特殊的螺旋相位结构，提出了使用扇形子孔径微透镜阵列来测量涡旋光束拓扑荷数。避免了使用干涉法和衍射法受环境影响较大的缺点，和减少了使用方形子孔径微透镜阵列带来的误差。是一种测量方便，简单快捷的测量涡旋光束拓扑荷数大小和符号的方法。

本发明采用的技术方案为：

一种测量涡旋光束拓扑荷数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。

一种测量涡旋光束拓扑荷数的方法，步骤如下：

步骤1：待测涡旋光束垂直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；