基于光強分析的完美渦旋光束拓撲荷值的測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微粒光操縱和光學測試領域，具體的說是一種基于光強分析的完美渦 旋光束拓撲荷值的測量裝置及測量方法。
【背景技術】
[0002] 完美渦旋光束在磁環光纖激發軌道角動量模式、光學誘捕、操縱微小粒子、光鑷及 光扳手等方面有著廣泛的應用。2013年，Andrey S.Ostrovsky等人提出了完美渦旋的概念， 該渦旋光束亮環半徑不依賴于拓撲荷值[Opt. Lett. 38，534，2013]，但該方法伴隨完美渦旋 光束均會產生額外的雜散光環。2015年，Pravin Vaity等通過對貝塞爾-高斯光束做傅里葉 變換，從而獲得無額外光環的整數階完美渦旋[Opt. Lett .，40，597，2015]。渦旋光束的拓撲 荷攜帶光信息量、且能提供更精細化的微粒操作，成為渦旋光學領域眾多研究者競相研究 的熱點課題。
[0003] 渦旋光束的測量方法主要有干涉測量和衍射測量。其中，P. Vai ty利用傾斜雙凸鏡 邁克爾遜干涉光路測量了整數階渦旋[Opt. Lett. 37，1301，2012]，通過數干涉亮條紋數量 可測量拓撲荷值為14以內的渦旋光束;而典型的衍射測量方法有三角孔衍射法，該方法可 測量7以內的拓撲荷值[Opt · Lett · 36，787，2011 ]。
[0004] 以上研究都是對渦旋光束拓撲荷的測量。而完美渦旋光束亮環半徑不依賴于拓撲 荷值，因此如何使用簡便有效的實驗裝置測量完美渦旋光束任意整數階拓撲荷值的是該領 域面臨的一個亟待解決的難題。
【發明內容】
[0005] 本發明解決了上述技術問題的不足，提供一種測量完美渦旋光束拓撲荷值的裝置 及方法，該方法通過利用傅里葉變換的平移性進而省去外部干涉光學元件(道威棱鏡及相 應輔助元件），可以簡便的測量完美渦旋光束任意整數階拓撲荷值。
[0006] 本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是:基于光強分析的完美渦旋光束 拓撲荷值的測量裝置，包括一連續波激光器;所述連續波激光器發出光束的前進方向設有 針孔濾波器，經針孔濾波器后的光束前進方向依次設有凸透鏡I、小孔光闌I，起偏器和反射 式空間光調制器，經反射式空間光調制器反射后產生的光束，其前進方向上依次設有檢偏 器、小孔光闌Π、凸透鏡Π和CCD相機，通過相位補償使空間光調制器中黑柵產生的衍射正 負一級在CCD相機中干涉成像，其干涉條紋圖像傳輸到計算機進行處理。
[0007] 所述的反射式空間光調制器、CCD相機分別與計算機連接;所述的針孔濾波器與凸 透鏡I間的距離為凸透鏡I的焦距；所述的反射式空間光調制器置于凸透鏡Π 的前焦平面 上;所述的C⑶相機置于凸透鏡Π的后焦平面上。
[0008] 利用光強分析的渦旋光束拓撲荷值測量裝置的測量方法，包括以下步驟： 步驟一、利用計算全息技術，通過對經過錐透鏡的渦旋光束進行相位調制，與平面波干 涉形成光強圖寫入反射式空間光調制器中；具體過程如下： 平面波的電場表示為： EP = Eoexp(-ikz) 其中，Eo表示振幅強度，k表示波數，z表示傳播距離； 垂直入射到錐透鏡上的渦旋光束的電場表示為：
其中，Ao為振幅常數，wo為束腰半徑，m為拓撲荷數，取整數;j為虛數單位； 錐透鏡的復振幅透過率函數為：
式中，η為錐透鏡材料折射率，α為錐透鏡的錐角;k為波數，R為錐透鏡光瞳半徑； 渦旋光束經過錐透鏡后與平面波干涉并進行相移后的復振幅分布為：
將E1的光強圖寫入空間光調制器中； 步驟二、打開連續波激光器的電源，連續波激光器發出的光束進入針孔濾波器，然后經 凸透鏡I準直，準直后的光束經小孔光闌I、起偏器后變為線偏振光，照射在反射式空間光調 制器上； 步驟三、照射在反射式空間光調制器上的光束用來衍射再現貝塞爾-高斯光束;衍射再 現的貝塞爾-高斯光束經過檢偏器及小孔光闌Π 后，照射在凸透鏡Π 上進行傅里葉變換生 成完美渦旋光束； 步驟四、所述的完美渦旋光束在CCD相機中成像后，通過調節相移因子，使得由計算全 息技術衍射生成的正負一級完美渦旋進行干涉。利用計算機對干涉圖樣進行后續分析； 步驟五、由干涉圖樣分析可知:干涉的螺旋亮條紋分布具有圓對稱性，則利用公式m = n/2,求得渦旋光束的拓撲荷值，其中，m為拓撲荷值，η為螺旋亮條紋個數。
[0009] 有益效果:與現有技術相比，本發明不需要對光進行分束，且省去外部干涉光學元 件(道威棱鏡及相應輔助元件），簡化了光路;實現整數階渦旋光束拓撲荷值的測量;本發明 裝置具有原理簡潔、成本低廉、參數可實時在線調節且易于操作等優點。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發明完美渦旋光束產生裝置的裝置原理圖。
[0011] 圖中標記:001、激光器，002、針孔濾波器，003、凸透鏡I，004、小孔光闌I，005、起偏 器，006、反射式空間光調制器，007、檢偏器，008、小孔光闌Π ，009、凸透鏡Π ，010、CCD相機， 011、計算機。
[0012] 圖2為計算機記錄的拓撲荷值分別為3、4、9、10的完美渦旋光束正負1級干涉強度 圖，其中，中間亮點為衍射零級亮斑。
【具體實施方式】
[0013] 如圖所示，基于光強分析的完美渦旋光束拓撲荷值的測量裝置，包括一連續波激 光器001;所述連續波激光器001發出光束的前進方向設有針孔濾波器002,經針孔濾波器 002后的光束前進方向依次設有凸透鏡1003、小孔光闌1004,起偏器005和反射式空間光調 制器006,經反射式空間光調制器006反射后產生的光束，其前進方向上依次設有檢偏器 007、小孔光闌Π 008、凸透鏡Π 009和CCD相機010，通過相位補償使空間光調制器006中黑柵 產生的衍射正負一級在CCD相機010中干涉成像，其干涉條紋圖像傳輸到計算機011進行處 理。
[0014] 所述的反射式空間光調制器006、CCD相機010分別與計算機011連接;所述的針孔 濾波器002與凸透鏡1003間的距離為凸透鏡1003的焦距;所述的反射式空間光調制器006置 于凸透鏡Π 009的前焦平面上;所述的C⑶相機010置于凸透鏡Π 009的后焦平面上。
[0015] 利用光強分析的渦旋光束拓撲荷值測量裝置的測量方法，包括以下步驟： 步驟一、利用計算全息技術，通過對經過錐透鏡的渦旋光束進行相位調制，與平面波干 涉形成光強圖寫入反射式空間光調制器006中；具體過程如下： 平面波的電場表示為： EP = Eoexp(-ikz) 其中，Eo表示振幅強度，k表示波數，z表示傳播距離； 垂直入射到錐透鏡上的渦旋光束的電場表示為：
其中，Ao為振幅常數，wo為束腰半徑，m為拓撲荷數，取整數;j為虛數單位； 錐透鏡的復振幅透過率函數為：
式中，η為錐透鏡材料折射率，α為錐透鏡的錐角;k為波數，R為錐透鏡光瞳半徑； 渦旋光束經過錐透鏡后與平面波干涉并進行相移后的復振幅分布為：
將E1的光強圖寫入空間光調制器006中； 步驟二、打開連續波激光器001的電源，連續波激光器001發出的光束進入針孔濾波器 002,然后經凸透鏡1003準直，準直后的光束經小孔光闌1004、起偏器005后變為線偏振光， 照射在反射式空間光調制器006上； 步驟三、照射在反射式空間光調制器006上的光束用來衍射再現貝塞爾-高斯光束;衍 射再現的貝塞爾-高斯光束經過檢偏器007及小孔光闌Π 008后，照射在凸透鏡Π 009上