一種用于測量渦旋光束的周期漸變光柵及測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用周期漸變光柵測量渦旋光束的方法，從周期漸變光柵透射的一級衍射光斑的節線條數即為渦旋光束的軌道角動量態的階數，節線的方向表征渦旋光束的軌道角動量態的正負：當所述光柵的周期漸變因子為正，一級衍射光斑中左側的光斑的節線方向與光柵對稱軸方向一致時，待測的渦旋光束的軌道角動量態的階數為正；該方法可測量任意階數軌道角動量態的渦旋光束，相比于現有技術具有較大的進步；同時，當入射渦旋光束方向偏離光柵中心時，雖然衍射圖樣的一級衍射光斑的位置會圍繞零級衍射光斑發生相應的旋轉，但生成的衍射圖樣并不影響軌道角動量態的階數的測量，因此，周期漸變光柵對光學系統的準直性要求降低了，易于光路的調整。
【專利說明】一種用于測量渦旋光束的周期漸變光柵及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光電【技術領域】，尤其涉及一種用于測量渦旋光束的周期漸變光柵及測 量方法。
【背景技術】
[0002] 渦旋光束是近年來十分引人注目的一類光束，與一般波陣面為平面和球面的光束 不同，渦旋光束具有連續螺旋狀相位，光束中心相位不確定，存在相位奇點，中心強度為零。 渦旋光束逐漸成為學術界的熱門研究課題，源于其可觀的應用前景。特別是拉蓋爾-高斯 光束，是人們常用的一種渦旋光束。其具有小=iie的螺旋相位結構，每個光子攜帶了 的軌道角動量態。軌道角動量態使光束除強度、位相、頻率、偏振態之外，在光通信領用 又多了一種調制方式。同時，1值理論上可取無限，因此渦旋光束在增大通信系統容量上有 很大應用價值。利用渦旋光束的暗中空特性以及軌道角動量態與物質的相互作用，還可以 使渦旋光束用于光鑷實現對微觀粒子的捕獲、控制和旋轉等微操作。此外，渦旋光束在光子 計算、超導薄膜、量子信息等方面具有十分重要的潛在應用價值。目前，常用的測量渦旋光 束的軌道角動量態的方法有：利用衍射光柵測量、利用Mach-Zehnder干涉儀測量、組合半 波片測量等。
[0003] 在對測量渦旋光束的軌道角動量態的研究方面，由于衍射光柵測量法具有實驗裝 置簡單、測量范圍更廣等優點，因此受到了很多研究者的青睞。目前人們已經利用液晶空間 光調制器生成振幅型衍射光柵，通過觀測渦旋光束經過振幅光柵后衍射分布成功的測量出 光束的軌道角動量態。例如，2012年北京理工大學的研究者用空間光調制器模擬復合叉狀 振幅光柵測量拉蓋爾-高斯光束的軌道角動量態。但是目前很多應用領域要求渦旋光束具 有更高階數、疊加態個數更多，使得上述測量方法不能很好的應用；首先，振幅衍射光柵利 用的是一級衍射級次，兩個方向的復合振幅光柵共生成9個衍射級次，因此一旦復合光柵 結構固定，其最多只能測量9個不同軌道角動量態的渦旋光束。其次，由于用復合叉狀振幅 光柵測量渦旋光束的軌道角動量態的范圍與兩個方向叉狀光柵的叉指數密切相關（復合 叉狀振幅光柵測量渦旋光束的軌道角動量態的數量為兩個方向叉指數之和），想要提高量 測的最大范圍就要增大兩個方向的叉指數，但是隨著叉指數的增加，其給制作過程帶來了 相當大的困難，且生成的一級衍射光斑也更差。最后，傳統復合叉狀振幅光柵對光路的準直 性要求較高，照射光束需打在叉狀光柵的中心叉指處，才能準確的得到衍射圖樣。所以，復 合叉狀光柵測量法存在一定的局限性。
【發明內容】
[0004] 有鑒于此，本發明提供了一種用于測量渦旋光束的周期漸變光柵及測量方法，能 夠方便的測量攜帶任意階數軌道角動量態的渦旋光束，得到軌道角動量態階數和正負。
[0005] 本發明一種利用周期漸變光柵測量渦旋光束的方法，采用待測渦旋光束照射所述 周期漸變光柵，從光柵透射的一級衍射光斑的節線條數即為渦旋光束的軌道角動量態的階 數，節線的方向表征渦旋光束的軌道角動量態的正負：當所述光柵的周期漸變因子為正，一 級衍射光斑中左側的光斑的節線方向與光柵對稱軸方向一致時，待測的渦旋光束的軌道角 動量態的階數為正；
[0006] 其中，所述光柵的周期沿一個方向線性漸變。
[0007] 較佳的，所述光柵為矩形，定義光柵的幾何中心為原點，X軸和y軸分別與光柵的 兩條相鄰的邊平行；所述光柵的狹縫相對于y軸呈散射狀對稱分布；在所述光柵上，當y值 為定值時，光柵在X方向的周期不變；當y值連續變化時，在y軸一側的光柵在x方向的周 期漸變。
[0008] 本發明的一種用于測量渦旋光束的周期漸變光柵，所述光柵的透過率函數為 ：
【權利要求】
1. 一種利用周期漸變光柵測量渦旋光束的方法，其特征在于，采用待測渦旋光束照射 所述周期漸變光柵，從光柵透射的一級衍射光斑的節線條數即為渦旋光束的軌道角動量態 的階數，節線的方向表征渦旋光束的軌道角動量態的正負：當所述光柵的周期漸變因子為 正，一級衍射光斑中左側的光斑的節線方向與光柵對稱軸方向一致時，待測的渦旋光束的 軌道角動量態的階數為正； 其中，所述光柵的周期沿一個方向線性漸變。
2. 如權利要求1所述的一種利用周期漸變光柵測量渦旋光束的方法，其特征在于，所 述光柵為矩形，定義光柵的幾何中心為原點，X軸和y軸分別與光柵的兩條相鄰的邊平行； 所述光柵的狹縫相對于y軸呈散射狀對稱分布；在所述光柵上，當y值為定值時，光柵在X 方向的周期不變；當y值連續變化時，在y軸一側的光柵在X方向的周期漸變。
3. -種基于權利要求2的用于測量渦旋光束的周期漸變光柵，其特征在于，所述光柵
其中，Ttl表示光柵上位于X坐標軸上的光柵周期，n為光柵的周期漸變因子。
4. 如權利要求3所述的一種用于測量渦旋光束的周期漸變光柵，其特征在于，所述光 柵的周期漸變因子的取值范圍為：n = 0. 051；?0. ITtlt5
5. -種基于權利要求3或4所述的光柵的渦旋光束測量裝置，其特征在于，還包括激光 器、偏振分光棱鏡、第一擴束鏡、液晶空間光調制器、小孔光闌、第二擴束鏡、聚焦透鏡和CCD 相機，其中： 所述偏振分光棱鏡置于激光器發出的激光光路中，用于產生水平線偏振激光； 所述第一擴束鏡置于偏振分光棱鏡后方的激光光路中，用于對激光光束進行準直和擴 束； 所述液晶空間光調制器置于第一擴束鏡后方的激光光路中，用于將擴束后的光束轉換 成攜帶有軌道角動量態的渦旋光束； 所述小孔光闌置于液晶空間光調制器后方的激光光路中，用于濾除雜散光的影響； 所述第二擴束鏡置于小孔光闌后方的激光光路中，用于對渦旋光束進行準直和擴束； 所述周期漸變光柵置于第二擴束鏡后方的激光光路中，用于測量渦旋光束的軌道角動 量態； 所述聚焦透鏡置于周期漸變光柵后方的激光光路中，用于在其焦平面處產生衍射圖 樣； 所述CCD相機置于聚焦透鏡后方的激光光路并置于聚焦透鏡的焦平面處，用于顯示變 換后的衍射光場。
【文檔編號】G01J11/00GK104330174SQ201410573218
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】高春清, 戴坤健, 鐘雷, 王慶 申請人:北京理工大學