一種測量光束渦旋的方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種測量光束滿旋的方法及其裝置，能精確測量光束所攜帶的滿旋的 方向和數(shù)目，適用于信息存儲、光學(xué)通信、粒子操控等領(lǐng)域，屬于應(yīng)用光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光束滿旋是指光場中的奇點，在此位置點的光場強度和位相都沒有定義，此外，在 此點附近光場的波前分布呈螺旋狀，因此被命名為光束滿旋。由于光場位相的螺旋狀分布， 光束滿旋就可W攜帶有軌道角動量，正因如此，光束滿旋具有廣泛的應(yīng)用價值，比如在光束 的俘獲、原子操控、信息存儲、W及通信技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)光束滿旋的 螺旋位相的幾何形狀，可用拓?fù)浜蓴?shù)來描述其在一個波長范圍內(nèi)所攜帶的完整的螺旋個 數(shù)。拓?fù)浜蓴?shù)一般是整數(shù)且可W為正或者負(fù)，正負(fù)取決于螺旋的方向，一般來講，左旋的螺 旋數(shù)方向為正，右旋的螺旋數(shù)為負(fù)。（參見文獻：P. Coullet, L. Gil and F. Rocca, "Optical vo;rtices," Opt. Commun. 73, 403-408 (1989))。
[0003] 正因如此，如何來判斷光束滿旋的方向和數(shù)目在實際應(yīng)用中具有重要的價值。例 如，在光學(xué)存儲和通信中可W通過光束滿旋的方向和數(shù)目提高存儲的密度和信息容量;在 滿旋干設(shè)儀中產(chǎn)生的光學(xué)滿旋晶格的方向分布可W用來用于連續(xù)位相測量等等。W往光束 滿旋方向和數(shù)目的判定主要采用自干設(shè)法（參見文獻:K. Piotr, M. Borwinska, and J. Masajada, "Optical vortex sign determination using self- interference methods，，' Optica Applicata XL, 165-175 (2010))、反位相變換法（參見文獻：S. Prabhakar， A. Kumar, J. Banerji， and 民.P. Singh, ('Revealing the order of a vortex 化rough its intensity record,，' Opt. Lett. 36，4398-4400 (2011))、失諧透 鏡法（參見文獻：P. Vaity，J. Banerji，and R. P. Singh，"Measuring the topologic過I charge of 過n optic過I vortex by using 過 tilted convex lens，，' Phys. Lett. A 377，1154-1156 (2013))等等，這些方法的基本原理是將圓對稱的光束滿旋的強 度分布轉(zhuǎn)化成欄圓對稱的厄米模式分布形式，然后通過欄圓厄米模式模數(shù)^及欄圓長軸方 向，確定光束滿旋拓樸荷數(shù)的數(shù)目和方向。然而，這些測量光束滿旋方法的局限性在于:都 只能利用強度分布測量相干長度較大的光束。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)還提出了利用關(guān)聯(lián)測量拓樸荷數(shù)的方法（參見文獻:Chengliang Zhao, Fei Wang, Yuan Dong, Yujing Han and Yangjian Cai， "Effect of spatial coherence on determining the topological charge of a vortex beam，，， Appl. Phys. Lett. 101，261104 (2012))。但是，^上方法都不能夠同時測量出化相干長度的光 束所攜帶的滿旋數(shù)目和方向。在實際的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，低相干長度的滿旋光束在光束的傳輸、 光束的整型W及粒子俘獲等等，對比與高相干性的光束更具優(yōu)勢。而且，在自然界中絕大部 分的光束的相干長度都很低(比如太陽光、L邸等等）。如何來測量運一大類的光束的拓?fù)浜?數(shù)具有重要的研究價值，但是到目前為止，還沒有文獻提出如何測量低相干長度光束拓?fù)?荷數(shù)的大小和方向的方法和裝置。
[0005] 綜上所述，光束滿旋在因其特殊的位相分布形式，可W攜帶軌道角動量，并可W應(yīng) 用于光束的俘獲、原子操控、信息存儲、W及通信技術(shù)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。因此，如 何測量出光束所攜帶的滿旋尤其是低相干長度光束所攜帶的滿旋具有重要的實用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種測量光束滿旋的方法及其裝置，能夠 精確的測量光束所攜帶的滿旋，包含滿旋的數(shù)目和滿旋方向，在微粒俘獲、原子操控、信息 存儲、W及通信技術(shù)等等領(lǐng)域具有重要的實際應(yīng)用價值。
[0007] 為了達到上述的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種測量光束滿旋的方法， 包括如下步驟： 1、 將攜帶滿旋的被測光束(偏振方向為X或y方向）通過第一個柱面鏡，柱面鏡的長軸為 水平或垂直放置，光源與柱面鏡的距離為Z0,柱面鏡的焦距為fi; 2、 從第一個柱面鏡出射的滿旋光束再經(jīng)過與第一個柱面鏡長軸垂直放置的第二個柱 面鏡，第二個柱面鏡距離第一個柱面鏡的距離為1〇,第二個柱面鏡的焦距為f2; 3、 測量第二個柱面鏡的反位相平面Z上的光強分布，反位相平面Z按公式：
計算得到； 4、 根據(jù)測量得到的光強分布數(shù)據(jù)，計算得到光束在平面Z上關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的二維分布，判斷 被測光束所攜帶的滿旋數(shù)目和滿旋方向；滿旋數(shù)目為(n-1 )/2，其中n為關(guān)聯(lián)的條紋數(shù)目；滿 旋方向為:關(guān)聯(lián)條紋長軸指向偏左+1，偏右-1。
[0008] 本發(fā)明技術(shù)方案還包括一種測量光束滿旋的裝置，按攜帶滿旋的光束入射方向依 次設(shè)置長軸相互垂直的第一柱面鏡和第二柱面鏡，在距離第二個柱面鏡的反位相平面上設(shè) 置一個電荷禪合器件，電荷禪合器件測量得到的光強分布數(shù)據(jù)輸入計算機。
[0009] 本發(fā)明技術(shù)方案中，反位相平面Z按如下公式計算得到：
其中，ZO為被測光束的光源與第一柱面鏡間的距離，fi為第一柱面鏡的焦距，Io為第二 柱面鏡與第一柱面鏡間的距離，f2為第二柱面鏡的焦距。
[0010]本發(fā)明提供一種測量光束滿旋裝置的具體結(jié)構(gòu)：Z日為50cm，fi為20畑1，1日為6cm，f2 為20cm。
[0011] 本發(fā)明將在反位相平面上測量得到的光強分布數(shù)據(jù)輸入計算機，計算光束在該平 面上關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的二維分布，計算方法可參考文獻:F. Wang, X. Liu, Y. Yuan, and Y. Cai, ('Experimental generation of partially coherent beams with different complex degrees of coherence," Opt. Lett. 38, 1814-1816 (2013)。
[0012] 本發(fā)明技術(shù)方案提供的測量光束滿旋的系統(tǒng):待檢測的滿旋光束首先垂直通過一 個長軸為水平放置的柱面鏡;經(jīng)過調(diào)制的光束接著垂直入射通過一個長軸垂直放置的柱面 鏡;被調(diào)制后的光束被放置于此光學(xué)系統(tǒng)的反位相平面上的電荷禪合器件接收;根據(jù)接收 和記錄的光強信息，利用關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)函數(shù)的表達式計算出此平面上光束的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的二維分 布;根據(jù)此時的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)函數(shù)的二維平面分布得到待檢測滿旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)和滿旋方 向。
[0013] 由于W上技術(shù)方案的應(yīng)用，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點在于： 1、本發(fā)明技術(shù)方案利用相互垂直的柱面鏡組合的光學(xué)系統(tǒng)測量光束滿旋的信息，提供 的一種測量光束滿旋的拓?fù)浜蓴?shù)和滿旋方向的系統(tǒng)，并利用關(guān)聯(lián)函數(shù)來同時判定光束滿旋 的拓?fù)浜蓴?shù)和滿旋方向的方法，能夠測量出任意相干度的攜帶滿旋的光束的拓?fù)浜蓴?shù)和滿 旋方向。
[0014] 2、本發(fā)明技術(shù)方案提供的測量滿旋光束的系統(tǒng)，簡單實用，測量精確，具有重要的 實際應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明實施例提供的一種測量光束滿旋的拓?fù)浜蓴?shù)和滿旋方向的系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實施例提供的待測光束滿旋為+1時，測量平面上光強等高分布圖； 圖3是本發(fā)明實施例提供的待測光束滿旋為+1時，經(jīng)過測量光學(xué)系統(tǒng)后測量平面上的 關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的等高分布圖； 圖4是本發(fā)明實施例提供的待測光束滿旋為-1時，測量平面上光強等高分布圖； 圖5是本發(fā)明實施例提供的待測光束滿旋為-1時，經(jīng)過測量光學(xué)系統(tǒng)后測量平面上的 關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的等高分布圖； 圖6是本發(fā)明實施例提供的待測光束滿旋為+2時，測量平面上光強等高分布圖； 圖7是本發(fā)明實施例提供的待測光束滿旋為+2時，經(jīng)過測量光學(xué)系