[发明专利]一种基于非完整涡旋光的径向距离测量方法

说明书

本发明涉及一种基于非完整涡旋光的径向距离测量方法。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，光束的一部分可称为非完整涡旋光，光束横截面上的能量分布通常为扇形圆环。坡印廷矢量表征涡旋光的能量传播方向，与光束传播方向不重合，非完整涡旋光的能量分布会随光束传播发生旋转，通过测量旋转角度可得到光束传播距离。首先，使用空间光调制器制备非完整涡旋光，通过准直与滤波后用CCD相机在光路上检测光斑形状，并提取光斑的外边缘。通过测量光束半径和光斑旋转角度，即可得出光束传播的距离，实现径向距离的测量。本方法光路简洁，操作简便，灵活性强，可在一定精度内测量目标距离。

技术领域

本发明涉及一种基于非完整涡旋光的径向距离测量方法，通过测量非完整涡旋光在传播过程中的光束半径和光斑旋转角度，可得到光束的传播距离。本方法可运用非完整涡旋光在无需接受反射光信号的情况下实现距离测量，属于涡旋光探测领域，可应用于径向距离的测量。

技术背景

光场中的涡旋现象最初由Boivin、Dow和Wolf于1967年在透镜组的焦平面附近发现。1973年，Bryngdahl首次开展了对制备涡旋光实验方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用连续激光成功制备了涡旋光。1990年Yu、Bazgenov V首次使用光栅法完成了涡旋光的制备。1992年，L.Allen发现了在近轴条件下带有相位因子的涡旋光束具有轨道角动量(OAM)，其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，为方位角；每个光子携带的轨道角动量，为约化普朗克常数，该角相位因子说明涡旋光在传播过程中，若光束传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2πl。

涡旋光作为一种具有螺旋波阵面的新型结构光束，在光通信、粒子微操控、运动探测、光学微测量等领域具有重要的应用价值。拉盖尔-高斯光是一种典型的涡旋光，光束中的光子不仅具有自旋角动量(SAM)，也具有轨道角动量(OAM)，拓扑荷数决定了OAM的大小。完整的单一态拉盖尔-高斯光束具有圆环形的强度分布和中空暗核，光束中心强度为零的区域被定义为相位奇点。涡旋光束根据相位奇点的类型可分为两类，一类是光场的偏转方向相同，奇点的相位不确定，称为相位涡旋光；另一类是奇点的偏振方向不确定，称为矢量涡旋光，拉盖尔-高斯光是一种相位涡旋光。

涡旋光的制备是开展涡旋光研究的基础，常用的制备方法包括模式转换法、计算全息法、空间光调制器法、Q板法和矩阵螺旋相位板法。在实验室条件下，空间光调制器法是一种常用的制备方法。空间光调制器通过控制电场引起液晶显示器空间相位或振幅图像的变化，从而将一定的信息写入光波中，实现对光波的调制。通过复振幅调控技术制备拉盖尔-高斯光的全息图样并加载到空间光调制器，用一束线偏振高斯光照射空间光调制器，出射光即为拉盖尔-高斯光束。

拉盖尔-高斯光束是柱坐标系下近轴波动方程的一组解，当传播距离z＝0时，在柱坐标系下可以表示为：

其中U为拉盖尔—高斯光的波矢量，为柱坐标，r为极径，为极角，l为拓扑荷数，p为径向节数，ω₀为基模高斯光的束腰半径，为拉盖尔多项式，i为虚数单位，π为圆周率。

涡旋光具有螺旋形的相位分布，其能量密度矢量与传播方向不重合，而是有一定的夹角。能量密度矢量通常表示为坡印廷矢量，根据坡印廷矢量的含义，其方向与光束的波阵面垂直。对于一束线性极化的拉盖尔-高斯光束，坡印廷矢量与光束传播轴的夹角为α，其大小满足

式中l表示拓扑荷数，λ表示光波长，r为涡旋光束的半径。当α的大小为毫弧度量级时，sinα可以近似为α。