CN111829674A - 一种用于测量完美涡旋光束的混合型相位光栅及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量完美涡旋光束的混合型相位光栅及测量方法，混合型相位光栅呈现径向涡旋与角向渐变分布，并且同时存在角向相位与径向相位；测量方法为采用待测完美涡旋光束照射混合型相位光栅，从混合型相位光栅投射的衍射光斑中的获取完美涡旋光束的轨道角动量态的阶数和轨道角动量态的正负；以衍射光斑的暗条纹数量为完美涡旋光束的轨道角动量态的阶数，以衍射光斑的条纹方向为完美涡旋光束的轨道角动量态的正负。利用该混合型相位光栅的测量方法既简单且准确，可以测量任意阶数轨道角动量态的完美涡旋光束并不受傅立叶平面约束的作用限制，令测量结果具有较高分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，更具体地，涉及一种用于测量完美涡旋光束的混合型相位光栅及测量方法。
背景技术
传统涡旋光束的拓扑荷数与中心亮环的半径及光束的角动量成正比，这不仅限制其在波分复用与信息编码上的应用，还会使得具有较大拓扑荷值的涡旋光束实现在耦合、传输等领域上的应用变得非常困难。为了克服这一缺陷，完美涡旋光束的概念被提出。相较于传统涡旋光束，完美涡旋光束不管其拓扑电荷如何变化，其都可以保持恒定的环形强度分布与光束半径，并有一定的峰值强度半径，光场中的各个点有明确的轨道角动量密度，是相对于方位角位置保持不变的一种新型且特殊的涡旋光束。
针对测量涡旋光束轨道角动量，现有成熟的涡旋光束测量技术中主要都是针对传统的涡旋光束。如申请号为“201510566068.0”的专利公开文件中公开了一种用于探测多路复用涡旋光束的复合光栅及测量方法，但是由于完美涡旋光束的产生过程中，完美涡旋光束仅仅出现在傅立叶平面的附近位置，传统涡旋光束测量的方法受到傅立叶平面约束，导致检测结果的分辨率较低，并不能很好地测量完美涡旋光束。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中完美涡旋光束测量结果分辨率较低问题，提供一种用于测量完美涡旋光束的混合型相位光栅及测量方法，能够准确的测量携带任意阶数轨道角动量态的完美涡旋光束，得到轨道角动量态阶数和正负。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于测量完美涡旋光束的混合型相位光栅，所述混合型相位光栅呈现径向涡旋与角向渐变分布，并且同时存在角向相位与径向相位；在所述混合型相位光栅上，当角向相位参数连续变化时，光栅会沿着中心向四周角向渐变；当径向相位参数连续变化时，光栅的涡旋分布会出现疏密变化。定义混合型相位光栅的几何中心为原点，x轴和y轴分别与合型相位光栅的两条相邻的边平行；所述合型相位光栅的狭缝相对于直角坐标系呈涡旋状分布；
合型相位光栅作为纯相位衍射元件可以不受傅立叶平面的限制在近场与远场均能得到较好的远场衍射结果，其呈现径向涡旋与角向渐变分布，并且同时存在角向相位与径向相位，其中径向相位能够补偿锥透镜相位实现对完美涡旋光束的光环调控，使得在测量过程中增加完美涡旋光束对混合型相位光栅的单位作用能效，在此基础上通过角向梯度渐变特性得到更明显和更易分辨的远场衍射结果。
优选的，径向相位用于补偿锥透镜相位以实现对完美涡旋光束光强半径尺寸的控制并使完美涡旋光束能量向内扩展；角向相位用于产生角向渐变特性以实现完美涡旋光束到类厄米特高斯光束的转换。
优选的，所述混合型相位光栅的透射函数为：
ψ(x,y)＝p(x2+y2)1/2-qθ：
其中，(x,y)表示光栅的直角坐标，p表示径向相位，q表示角向相位，θ表示方位角。
上述函数表达式主要用于将混合型相位光栅加载到空间光调制器，混合型相位光栅的效果主要通过修改p、q两参数，便于实验和仿真测量过程的自由调整性和灵活性。
优选的，所述角向相位取值范围25-50；所述径向相位取值范围4000-7000。仿真与实验所取数值与实际像素点数、光栅照射位置和CCD相机分辨率的选取有关，不同情况下取值可能不唯一。
还提供一种用于测量完美涡旋光束的测量方法，采用待测完美涡旋光束照射上述的混合型相位光栅，从混合型相位光栅投射的衍射光斑中的获取完美涡旋光束的轨道角动量态的阶数和轨道角动量态的正负；以衍射光斑的暗条纹数量为完美涡旋光束的轨道角动量态的阶数，以衍射光斑的条纹方向为完美涡旋光束的轨道角动量态的正负。
优选的，衍射光斑的条纹方向为竖直方向，完美涡旋光束轨道角动量态为正数；衍射光斑的条纹方向为水平方向，完美涡旋光束轨道角动量态为负数。
优选的，轨道角动量态为l的完美涡旋光束的表达式为：
其中，Il(·)表示第一类第l阶修正贝塞尔函数；
为方位角；ωg为高斯光束的束腰半径；ω0表示在傅立叶透镜焦距处的束腰半径；在式中，存在常数项、涡旋项、高斯项和修正贝塞尔项，式中高斯函数项和修正贝塞尔函数项在r＝R处相交形成一个环，且该环的半径不随l发生变化。
完美涡旋光束照射到混合型相位旋光栅上，衍射图样表示为：
其中，E(u,v)是远场光束的复振幅；(u,v)表示远场衍射强度分布的笛卡尔坐标；(x,y)表示混合型相位光栅的笛卡尔坐标；f为透镜焦距；λ为真空中光束波长。
还提供一种用于测量完美涡旋光束的测量装置，用于实现上述的测量方法，包括用于将准直的光束转换成携带有轨道角动量态的贝塞尔高斯光束的第一液晶空间光调制器和加载了所述混合型相位光栅的第二液晶空间光调制器，所述第二液晶空间光调制器用于测量完美涡旋光束的轨道角动量态。
优选的，还包括激光器、偏振控制器、准直器、傅立叶透镜、聚焦透镜和CCD相机；
所述偏振控制器置于激光器发出的激光光路中，用于产生水平线偏振激光；
所述准直器置于偏振控制器发出的激光光路中，用于对激光光束进行准直；
所述第一液晶空间光调制器置于准直器发出的激光光路中，用于将准直的光束转换成携带有轨道角动量态的贝塞尔高斯光束；
所述傅立叶透镜置于第一液晶空间光调制器发出的激光光路中，用于将贝塞尔高斯光束转换为完美涡旋光束；
所述第二液晶空间光调制器置于傅立叶透镜发出的激光光路中，用于测量完美涡旋光束的轨道角动量态；
所述聚焦透镜置于所述第二液晶空间光调制器发出的激光光路中，用于在其焦平面处产生衍射图样；
所述CCD相机置于所述聚焦透镜发出的激光光路中并置于所述聚焦透镜的焦平面处，用于显示变换后的衍射光场。
优选的，所述傅立叶透镜和所述第二液晶空间光调制器之间还依次设置有小孔光阑和凸透镜；所述小孔光阑置于所述傅立叶透镜发出的激光光路中，用于滤除杂散光的影响；所述凸透镜置于小孔光阑发出的激光光路中，用于对完美涡旋光束进行准直和扩束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的混合型相位光栅可测量任意阶数轨道角动量态的完美涡旋光束，利用该混合型相位光栅的测量方法既简单且准确，可以测量任意阶数轨道角动量态的完美涡旋光束并不受傅立叶平面约束的作用限制，令测量结果具有较高分辨率。
附图说明
图1是本发明的混合型相位光栅的结构示意图；
图2是本发明一种用于测量完美涡旋光束的测量方法的焦平面上的光强分布仿真图。
图3是本发明一种用于测量完美涡旋光束的测量方法的验证仿真的实验结果图；
图4是本发明一种用于测量完美涡旋光束的测量装置的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1
如图1所示为一种用于测量完美涡旋光束的混合型相位光栅：混合型相位光栅呈现径向涡旋与角向渐变分布，并且同时存在角向相位与径向相位；在混合型相位光栅上，当角向相位参数连续变化时，光栅会沿着中心向四周角向渐变；当径向相位参数连续变化时，光栅的涡旋分布会出现疏密变化。定义混合型相位光栅的几何中心为原点，x轴和y轴分别与光栅的两条相邻的边平行；光栅的狭缝相对于直角坐标系呈涡旋状分布；
其中，径向相位用于补偿锥透镜相位以实现对完美涡旋光束光强半径尺寸的控制并使完美涡旋光束能量向内扩展；角向相位用于产生角向渐变特性以实现完美涡旋光束到类厄米特高斯光束的转换。
具体的，混合型相位光栅的的透射函数为：
ψ(x,y)＝p(x2+y2)1/2-qθ：
式子中，(x,y)表示光栅的直角坐标，p表示径向相位，q表示角向相位，θ表示方位角。
根据仿真与实验所取数值与实际像素点数、光栅照射位置和CCD相机分辨率，角向相位取值范围25-50；径向相位取值范围4000-7000。
本实施例的有益效果：本发明的混合型相位光栅可用于测量任意阶数轨道角动量态的完美涡旋光束，并且能够简单准确的得到完美涡旋光束轨道角动量态。
实施例2
一种用于测量完美涡旋光束的测量方法，采用待测完美涡旋光束照射实施例1的混合型相位光栅，从混合型相位光栅投射的衍射光斑中的获取完美涡旋光束的轨道角动量态的阶数和轨道角动量态的正负；以衍射光斑的暗条纹数量为完美涡旋光束的轨道角动量态的阶数，以衍射光斑的条纹方向为完美涡旋光束的轨道角动量态的正负。
如图2和3所示，首先衍射光斑明暗条纹方向与入射完美涡旋光束轨道角动量态的阶数的正负有关。选取如图1中所示的圆圈作为待测完美涡旋光束的照射位置，当入射轨道角动量态的阶数为正数时，所得到的衍射光斑的条纹方向为竖直方向；入射轨道角动量态的阶数为负数时，所得到的衍射光斑的条纹方向为水平方向。当入射完美涡旋光束的轨道角动量态的阶数为+1时，衍射光斑的暗条纹数为1；当入射涡旋光束轨道角动量态的阶数为-5时，衍射斑的暗条纹数为5。
在本实施例中，轨道角动量态为l的完美涡旋光束的表达式为：
其中，Il(·)表示第一类第l阶修正贝塞尔函数；
为方位角；ωg为高斯光束的束腰半径；ω0表示在傅立叶透镜焦距处的束腰半径；在式中，存在常数项、涡旋项、高斯项和修正贝塞尔项，式中高斯函数项和修正贝塞尔函数项在r＝R处相交形成一个环，且该环的半径不随l发生变化。
完美涡旋光束照射到混合型相位旋光栅上，衍射图样表示为：
其中，E(u,v)是远场光束的复振幅；(u,v)表示远场衍射强度分布的笛卡尔坐标；(x,y)表示混合型相位光栅的笛卡尔坐标；f为透镜焦距；λ为真空中光束波长。
本实施例的有益效果：本测量方法利用该混合型相位光栅进行完美涡旋光束的测量，可以测量任意阶数轨道角动量态的完美涡旋光束并不受傅立叶平面约束的作用限制，并且令测量结果具有较高分辨率。
实施例3
一种用于测量完美涡旋光束的测量装置，用于实现实施例2的测量方法，具体包括激光器1、偏振控制器2、准直器3、第一液晶空间光调制器4、傅立叶透镜5、小孔光阑6、凸透镜7、第二液晶空间光调制器8、聚焦透镜9和CCD相机10。
激光器1用于发出激光；
偏振控制器2置于激光器1发出的激光光路中，用于产生水平线偏振激光；
准直器3置于偏振控制器2发出的激光光路中，用于对激光光束进行准直；
第一液晶空间光调制器4置于准直器3发出的激光光路中，用于将准直的光束转换成携带有轨道角动量态的贝塞尔高斯光束；
傅立叶透镜5置于第一液晶空间光调制器4发出的激光光路中，用于将贝塞尔高斯光束转换为完美涡旋光束；
小孔光阑6置于傅立叶透镜5发出的激光光路中，用于滤除杂散光的影响；
凸透镜7置于小孔光阑6发出的激光光路中，用于对完美涡旋光束进行准直和扩束。
第二液晶空间光调制器8加载有实施例1的混合型相位光栅并置于凸透镜7发出的激光光路中，用于测量完美涡旋光束的轨道角动量态；
聚焦透镜9置于第二液晶空间光调制器8发出的激光光路中，用于在其焦平面处产生衍射图样；
CCD相机10置于聚焦透镜9发出的激光光路中并置于聚焦透镜9的焦平面处，用于显示变换后的衍射光场。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于测量完美涡旋光束的混合型相位光栅，其特征在于，所述混合型相位光栅呈现径向涡旋与角向渐变分布，并且同时存在角向相位与径向相位；在所述混合型相位光栅上，当角向相位参数连续变化时，光栅会沿着中心向四周角向渐变；当径向相位参数连续变化时，光栅的涡旋分布会出现疏密变化。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量完美涡旋光束的混合型相位光栅，其特征在于，径向相位用于补偿锥透镜相位以实现对完美涡旋光束光强半径尺寸的控制并使完美涡旋光束能量向内扩展；角向相位用于产生角向渐变特性以实现完美涡旋光束到类厄米特高斯光束的转换。
3.根据权利要求2所述的一种用于测量完美涡旋光束的混合型相位光栅，其特征在于，所述混合型相位光栅的透射函数为：
ψ(x,y)＝p(x2+y2)1/2-qθ：
其中，(x,y)表示光栅的直角坐标；p表示径向相位；q表示角向相位；θ表示方位角。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种用于测量完美涡旋光束的混合型相位光栅，其特征在于，所述角向相位取值范围25-50；所述径向相位取值范围4000-7000。
5.一种用于测量完美涡旋光束的测量方法，其特征在于，采用待测完美涡旋光束照射权利要求4所述的混合型相位光栅，从混合型相位光栅投射的衍射光斑中的获取完美涡旋光束的轨道角动量态的阶数和轨道角动量态的正负；以衍射光斑的暗条纹数量为完美涡旋光束的轨道角动量态的阶数，以衍射光斑的条纹方向为完美涡旋光束的轨道角动量态的正负。
6.根据权利要求5所述的一种用于测量完美涡旋光束的测量方法，其特征在于，衍射光斑的条纹方向为竖直方向，完美涡旋光束轨道角动量态为正数；衍射光斑的条纹方向为水平方向，完美涡旋光束轨道角动量态为负数。
7.根据权利要求6所述的一种用于测量完美涡旋光束的测量方法，其特征在于，轨道角动量态为l的完美涡旋光束的表达式为：
其中，Il(·)表示第一类第l阶修正贝塞尔函数；
为方位角；ωg为高斯光束的束腰半径；ω0表示在傅立叶透镜焦距处的束腰半径；式中高斯函数项和修正贝塞尔函数项在r＝R处相交形成一个环，且该环的半径不随l发生变化。
完美涡旋光束照射到混合型相位旋光栅上，衍射图样表示为：
其中，E(u,v)是远场光束的复振幅；(u,v)表示远场衍射强度分布的笛卡尔坐标；(x,y)表示混合型相位光栅的笛卡尔坐标；f为透镜焦距；λ为真空中光束波长。
8.一种用于测量完美涡旋光束的测量装置，其特征在于，用于实现权利要求6所述的测量方法，包括用于将准直的光束转换成携带有轨道角动量态的贝塞尔高斯光束的第一液晶空间光调制器(4)和加载了所述混合型相位光栅的第二液晶空间光调制器(8)，所述第二液晶空间光调制器(8)用于测量完美涡旋光束的轨道角动量态。
9.根据权利要求8所述的一种用于测量完美涡旋光束的测量装置，其特征在于，还包括激光器(1)、偏振控制器(2)、准直器(3)、傅立叶透镜(5)、聚焦透镜(9)和CCD相机(10)；
所述偏振控制器(2)置于激光器(1)发出的激光光路中，用于产生水平线偏振激光；
所述准直器(3)置于偏振控制器(2)发出的激光光路中，用于对激光光束进行准直；
所述第一液晶空间光调制器(4)置于所述准直器(3)发出的激光光路中，用于将准直的光束转换成携带有轨道角动量态的贝塞尔高斯光束；
所述傅立叶透镜(5)置于所述第一液晶空间光调制器(4)发出的激光光路中，用于将贝塞尔高斯光束转换为完美涡旋光束；
所述第二液晶空间光调制器(8)置于所述傅立叶透镜(5)发出的激光光路中，用于测量完美涡旋光束的轨道角动量态；
所述聚焦透镜(9)置于所述第二液晶空间光调制器(8)发出的激光光路中，用于在其焦平面处产生衍射图样；
所述CCD相机(10)置于所述聚焦透镜(9)发出的激光光路中并置于所述聚焦透镜(9)的焦平面处，用于显示变换后的衍射光场。
10.根据权利要求9所述的一种用于测量完美涡旋光束的测量装置，其特征在于，所述傅立叶透镜(5)和所述第二液晶空间光调制器(8)之间还依次设置有小孔光阑(6)和凸透镜(7)；所述小孔光阑(6)置于所述傅立叶透镜(5)发出的激光光路中，用于滤除杂散光的影响；所述凸透镜(7)置于小孔光阑(6)发出的激光光路中，用于对完美涡旋光束进行准直和扩束；所述第二液晶空间光调制器(8)置于所述凸透镜(7)发出的激光光路中，用于测量完美涡旋光束的轨道角动量态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201027 |
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