[发明专利]一种基于涡旋光束OAM相位谱的方位角测量方法

说明书

本发明涉及一种基于涡旋光束OAM相位谱的方位角测量方法。涡旋光束是一种具有螺旋形波前的新型结构光场，因其携带有轨道角动量(orbitalangular momentum,OAM)信息，相比传统的光束拥有更高维度的信息调制自由度。角动量和角位置构成一对共轭变量，可以通过离散傅里叶变换联系起来。利用四步相移方法计算出目标在不同轨道角动量下散射光的螺旋相位，不同轨道角动量下散射光的螺旋相位构成了OAM相位谱，在OAM域对OAM相位谱进行傅里叶变换，即可快速、便捷的计算出目标所在的方位角。且分辨率与OAM的扫描范围成反比，OAM的扫描范围越大，分辨率越高。本方法适用于单一目标或多目标方位角的测量，可用于对目标的一维成像。

技术领域

本发明涉及一种基于涡旋光束OAM相位谱的方位角测量方法。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，通过涡旋光束与目标相互作用，从散射光中的相位信息中可以得到目标的方位角。本方法光路简洁，灵活性强，属于涡旋光探测领域，可用于对目标的一维成像。

技术背景

涡旋光束是一种具有螺旋波前和中心相位奇点的环形结构光场。1992 年，L.Allen等发现了涡旋光束的一个重要性质：近轴条件下带有相位因子的涡旋光束具有轨道角动量(orbit angular momentum,OAM)其中l为拓扑荷数，为约化普朗克常数，为方位角。任意两束不同拓扑荷数的涡旋光相互正交，且理论上可以张成一个无穷维的希尔伯特空间，表现为同轴传输的不同拓扑荷数的涡旋光束可以相互分离。涡旋光的独特性质使其在光操控、光通信、成像和旋转探测等领域被广泛应用。

Sonja Franke-Arnold等人首次观测到角动量和角位置的不确定关系，并推导和证明了相应的智能状态。随后，Eric Yao等人测量了光通过孔径后轨道角动量的分布，验证了轨道角动量分布是由孔径函数的傅里叶变换给出的。与线位置和线动量一样，角动量和角位置也构成一对共轭变量，可以通过离散傅里叶变换联系起来。进一步，B Jack等人用角掩模实现了单缝和多缝传统衍射的角模拟，发现了线性衍射和角衍射之间的直接对应关系，直观的演示了角动量和角位置之间的傅里叶关系。A.K.Jha等人建立了下转换源产生的纠缠光子对的角位置与OAM之间的傅里叶关系。以上研究表明无论对于经典光学还是单光子，角位置与OAM谱之间通过傅里叶关系建立了联系。然而，上述研究都是基于OAM强度谱的分析，没有考虑OAM模式之间的相位差异。不同的OAM模式有不同的相变速率， OAM的相位谱也可以带来很多有效信息。但光束的相位提取困难、易受震动干扰，给OAM相位谱的进一步应用带来了很多的现实问题。本专利通过四步相移的方法获取了OAM的相位谱，然后在OAM域对OAM相位谱进行傅里叶变换，实现了目标方位角的测量，为涡旋光束二维成像技术的发展奠定了基础。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对目标方位角信息提取困难这一问题，提出了一种基于涡旋光束OAM相位谱的方位角测量方法。该方法通过提取目标在不同轨道角动量下目标散射光的螺旋相位信息，简单、快捷的实现了目标方位角的测量，且方位角的分辨率只与OAM的扫描范围有关，通过增大OAM的扫描范围，可实现方位角的超高分辨，为涡旋光束二维成像技术的发展奠定了基础。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于涡旋光束OAM相位谱的方位角测量方法。首先，OAM相位谱的获取方法：通过空间光调制器产生贝塞尔高斯光束与平面光束同轴干涉的叠加光束去照射目标，分别将贝塞尔高斯光束与相移0,π/2,π,3π/2的平面光束进行干涉，接收四步相移对应目标散射光的四个光强，利用这四个光强信息得到目标散射光的螺旋相位，然后分别得到目标在不同轨道角动量下的螺旋相位构成OAM相位谱，在OAM域对所得的OAM相位谱进行傅里叶变换，即可得到目标的方位角，方位角测量流程如图1所示。且分辨率与OAM的扫描范围成反比，OAM的扫描范围越大，分辨率越高。

本发明的原理是：

贝塞尔高斯是一种具有多同心圆环的结构的涡旋光束。在柱坐标系下，沿着z轴方向传输的l阶贝塞尔高斯光束的复振幅可表示为：