[发明专利]一种涡旋光束阵列拓扑荷数的测量方法和系统

说明书

本发明涉及一种涡旋光束阵列拓扑荷数的测量方法和系统。本发明利用像散相位将涡旋光束阵列转换为厄米‑高斯光束阵列，并得到了输入面涡旋光束与输出面厄米‑高斯光束的空间位置对应关系，通过对应位置上的厄米‑高斯光束的暗条纹的数量和方向，来得到涡旋光束阵列的拓扑荷数信息。本发明高效简单，而且还可以测量大阵列涡旋光束的拓扑荷数。

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种测量涡旋光束阵列拓扑荷数的方法和系统。

背景技术

光的角动量分为自旋角动量和轨道角动量，其中自旋角动量通过光的偏振来体现，光的轨道角动量直到1992年才被人们所知晓。这种携带轨道角动量的光束又被称为涡旋光束，是一种具有连续螺旋相位、光场为环形分布的光束。这种光束的每个光子具有大小的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)，其中l叫做拓扑荷数或模式数。而且涡旋光束各模式之间是相互正交的，可以组成完备的正交基，在突破通信容量上也有巨大的潜力；另外在光镊和光学加工也有很好的应用前景。涡旋光束阵列也被寄予希望在这些领域有更好的应用，比如在光通信领域，可以进行多通道的编码通信，可以极大的提升通信速率；在光镊中可以一次性捕获多个粒子，极大的提升工作效率。

在这些应用中，涡旋光束阵列的拓扑荷数测量十分重要。但是，目前并没有较好的测量手段来进行测量。对于多模叠加的涡旋光场，可以使用模式分解法来进行测量，但是涡旋光束阵列没有同轴叠加，不能使用这个方法进行测量。对于其他测量单束涡旋光束的方法，有的要求严格的对准，例如三角孔法等一些衍射方法；有的不要求严格对准，例如环形渐变光栅，但是对于偏离中心较远的涡旋光束，也不能进行很好的测量，不能测量大阵列的涡旋光束。而且利用干涉法测量，容易受环境干扰，干涉条纹不稳定。因此，需要一种高效的方法来进行涡旋光束阵列的测量，使其能更好的应用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述测量方法的不足，提出了种基于像散相位元件的涡旋光束阵列拓扑荷数的测量方法和系统。

本发明提出的像散相位元件的阵列涡旋光束拓扑荷数的测量方法和系统，利用像散元件将环形的涡旋光束转换为条纹分布的厄米-高斯模式特性，并通过分析不同位置的涡旋光束入射到像散元件后得到的厄米-高斯光束的空间位置分布，这样可以得到入射平面涡旋光束阵列和输出平面厄米-高斯光束阵列的映射关系，然后通过数据处理即可得到涡旋光束阵列各位置的拓扑荷数信息。

本发明采用的技术方案如下：

一种涡旋光束阵列拓扑荷数的测量方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：激光器发射基模高斯光束，并使用第一空间光调制器加载螺旋相位阵列，将其转换为涡旋光束阵列；

步骤2：在第二空间光调制器上加载像散相位，将生成的所述涡旋光束阵列转换为厄米-高斯光束阵列；

步骤3：使用CCD采集转换得到的所述厄米-高斯光束阵列，然后用计算机分析光场分布，并根据涡旋光束阵列与厄米-高斯光束阵列的空间位置映射关系，求得涡旋光束阵列的拓扑荷数信息；

其中，所述空间位置映射关系根据所述像散相位建立。

本发明还提供了另一技术方案：

所述系统包括：激光器(1)，第一偏振片(2)，扩束器(3)，第一空间光调制器(4)，第一分光棱镜(5)，第二偏振片(6)，第一计算机(7)，第二空间光调制器(8)，第二分光棱镜(9)，透镜(10)，CCD(11)以及第二计算机(12)；所述激光器(1)和第一分光棱镜(5)之间依次放置第一偏振片(2)，扩束器(3)；第一空间光调制器(4)和第二分光棱镜(9)之间依次放置第一分光棱镜(5)，第二偏振片(6)；第二空间光调制器(8)和CCD(11)之间依次放置第二分光棱镜(9)，透镜(10)；第一计算机(7)与第二空间光调制器(8)相连；第二计算机(12)分别与第一空间光调制器(4)和CCD(11)相连；