一種測(cè)量分?jǐn)?shù)階光學(xué)渦旋拓?fù)浜芍档难b置及其測(cè)量方法
【專利摘要】一種測(cè)量分?jǐn)?shù)階光學(xué)渦旋拓?fù)浜芍档难b置及其測(cè)量方法，包括利用計(jì)算機(jī)全息技術(shù)將生成計(jì)算全息圖寫入空間光調(diào)制器的步驟；采用邁克爾遜干涉光路和四步相移技術(shù)獲得渦旋光束的包裹相位圖的步驟；利用相位圖去包裹算法解析出渦旋光束的真實(shí)相位θ的分布，再由拓?fù)浜傻亩xm=θ/2π計(jì)算得到任意分?jǐn)?shù)階精度的拓?fù)浜芍祄。本發(fā)明裝置及方法能實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)階渦旋光束任意階(0.1階)精度的拓?fù)浜芍档臏y(cè)量，將渦旋光束拓?fù)浜芍档臏y(cè)量從目前的半整數(shù)階（0.5階）精確到任意階；可廣泛應(yīng)用于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚、量子通信、信息編碼與傳輸、粒子囚禁、光鑷、光扳手等領(lǐng)域的拓?fù)浜芍禍y(cè)量。
【專利說(shuō)明】一種測(cè)量分?jǐn)?shù)階光學(xué)渦旋拓?fù)浜芍档难b置及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測(cè)量分?jǐn)?shù)階光學(xué)渦旋拓?fù)浜芍档难b置及其測(cè)量方法，具體的說(shuō)是涉及一種利用相位測(cè)量分?jǐn)?shù)階渦旋拓?fù)浜芍档难b置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于渦旋光束在玻色-愛(ài)因斯坦凝聚、量子信息編碼、粒子囚禁、光鑷及光扳手等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，成為近年來(lái)信息光學(xué)領(lǐng)域一個(gè)非常重要的研究熱點(diǎn)。2004年，M.V.Berry首次系統(tǒng)、全面的闡述了分?jǐn)?shù)階光學(xué)潤(rùn)旋的理論基礎(chǔ)(M.V.Berry, J Opta-Pure Appl Op 6 (2004) 259)。分?jǐn)?shù)階渦旋光束可攜帶更多信息量、且能提供更精細(xì)化的微粒操作，成為渦旋光學(xué)領(lǐng)域眾多研究者競(jìng)相研究的熱點(diǎn)課題。
[0003]生成分?jǐn)?shù)階光學(xué)渦旋的最簡(jiǎn)潔方法是利用計(jì)算全息圖顯示在空間光調(diào)制器上。由于分?jǐn)?shù)階渦旋光束的空間穩(wěn)定性很差，因此，在研究分?jǐn)?shù)階渦旋光束特性及應(yīng)用時(shí)，對(duì)生成的分?jǐn)?shù)階渦旋光束的拓?fù)浜芍?即光子軌道角動(dòng)量)進(jìn)行精確測(cè)量是首先需要解決的問(wèn)題。
[0004]從目前研究看，渦旋光束拓?fù)浜芍档臏y(cè)量主要分為干涉測(cè)量和衍射測(cè)量。但這兩種方法都是通過(guò)數(shù)干涉/衍射條紋數(shù)測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，僅能達(dá)到半整數(shù)階(0.5階)精度(A.Mourka et al., Optics Express 19 (2011) 5760)的拓?fù)浜芍禍y(cè)量。
[0005]因此，如何實(shí)現(xiàn)任意階(0.1階)精度的拓?fù)浜芍档臏y(cè)量是該【技術(shù)領(lǐng)域】面臨的一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題:提供一種能實(shí)現(xiàn)任意階(0.1階)精度的分?jǐn)?shù)階光學(xué)渦旋拓?fù)浜芍禍y(cè)量的裝置及其測(cè)量方法。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種測(cè)量分?jǐn)?shù)階光學(xué)渦旋拓?fù)浜芍档难b置，包括一連續(xù)波激光器，在該連續(xù)波激光器的光束前進(jìn)方向依次設(shè)有準(zhǔn)直擴(kuò)束器、高斯-平頂光束轉(zhuǎn)換器、起偏器、分束鏡；經(jīng)分束鏡后，激光束被分為透射光和反射光，透射光與反射光成90°夾角，透射光作為參考光束照射在空間光調(diào)制器上；反射光束照射在反射鏡上，所述反射鏡安裝在壓電陶瓷微位移臺(tái)上；反射后的透射光束和反射光束再次經(jīng)過(guò)分束鏡合束后，經(jīng)會(huì)聚透鏡會(huì)聚后照射在光闌上，通過(guò)檢偏器后進(jìn)入CXD相機(jī)成像；
所述的空間光調(diào)制器與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)將計(jì)算全息圖輸入到空間光調(diào)制器上；所述的壓電陶瓷微位移臺(tái)與微位移控制器相連，所述的微位移控制器分別與計(jì)算機(jī)和觸發(fā)器相連；
所述的CCD相機(jī)分別與計(jì)算機(jī)和觸發(fā)器相連。
[0008]一種測(cè)量分?jǐn)?shù)階光學(xué)渦旋拓?fù)浜芍档难b置的測(cè)量方法，主要由以下內(nèi)容構(gòu)成:
包括利用計(jì)算機(jī)全息技術(shù)將生成計(jì)算全息圖寫入空間光調(diào)制器的步驟；
采用邁克爾遜干涉光路和四步相移技術(shù)獲得渦旋光束的包裹相位圖的步驟；利用相位圖去包裹算法解析出渦旋光束的真實(shí)相位Θ的分布，再由拓?fù)浜傻亩x
【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)量分?jǐn)?shù)階光學(xué)渦旋拓?fù)浜芍档难b置，其特征在于:包括一連續(xù)波激光器(100)，在該連續(xù)波激光器(100 )的光束前進(jìn)方向依次設(shè)有準(zhǔn)直擴(kuò)束器(110)、高斯-平頂光束轉(zhuǎn)換器(120)、起偏器(131 )、分束鏡(140);經(jīng)分束鏡(140)后，激光束被分為透射光和反射光，透射光與反射光成90°夾角，透射光作為參考光束照射在空間光調(diào)制器(150)上；反射光束照射在反射鏡(220)上，所述反射鏡(220)安裝在壓電陶瓷微位移臺(tái)(210)上；反射后的透射光束和反射光束再次經(jīng)過(guò)分束鏡(140)合束后，經(jīng)會(huì)聚透鏡(230)會(huì)聚后照射在光闌(240 )上，通過(guò)檢偏器(132 )后進(jìn)入CXD相機(jī)(300 )成像； 所述的空間光調(diào)制器(150)與計(jì)算機(jī)(400)連接，計(jì)算機(jī)(400)將計(jì)算全息圖輸入到空間光調(diào)制器(150)上； 所述的壓電陶瓷微位移臺(tái)(210)與微位移控制器(600)相連，所述的微位移控制器(600)分別與計(jì)算機(jī)(400)和觸發(fā)器(500)相連； 所述的CXD相機(jī)(300)分別與計(jì)算機(jī)(400)和觸發(fā)器(500)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量分?jǐn)?shù)階光學(xué)渦旋拓?fù)浜芍档难b置的測(cè)量方法，其特征在于: 包括利用計(jì)算機(jī)全息技術(shù)將生成計(jì)算全息圖寫入空間光調(diào)制器的步驟； 采用邁克爾遜干涉 光路和四步相移技術(shù)獲得渦旋光束的包裹相位圖的步驟； 利用相位圖去包裹算法解析出渦旋光束的真實(shí)相位Θ的分布，再由拓?fù)浜傻亩xm=0/2n計(jì)算得到任意分?jǐn)?shù)階精度的拓?fù)浜芍祄。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于:步驟如下: 步驟一、利用計(jì)算機(jī)全息技術(shù)將待測(cè)渦旋光束與平行光生成計(jì)算機(jī)全息圖，由計(jì)算機(jī)(400)寫入空間光調(diào)制器(150);通過(guò)計(jì)算機(jī)(400)設(shè)定好微位移控制器(600)、觸發(fā)器(500)的參數(shù)； 步驟二、打開(kāi)連續(xù)波激光器電源，連續(xù)波激光器(100)發(fā)出的激光束，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束器(110)后，再由高斯-平頂光束轉(zhuǎn)換器(120)將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束； 步驟三、將步驟二得到的平頂光束經(jīng)分束鏡(140)后分為反射光束和透射光束，反射光束和透射光束成90°夾角；透射光束作為參考光束照射在空間光調(diào)制器(150)上，解調(diào)出待測(cè)渦旋光束，照射在分束器上； 步驟四、步驟三得到的反射光束照射在反射鏡(220)上，反射后也照射在分束鏡(140)上；渦旋光束與反射光束經(jīng)分束鏡(140)合束后照射在會(huì)聚透鏡(230)上，然后，利用光闌(240)選擇渦旋光束合適的I級(jí)衍射光，經(jīng)過(guò)檢偏器(132)后進(jìn)入C⑶相機(jī)(300)，反射光束與渦旋光束在CXD相機(jī)(300)中形成的干涉圖像J1存儲(chǔ)進(jìn)計(jì)算機(jī)(400)； 步驟五、根據(jù)計(jì)算機(jī)(400)設(shè)定的參數(shù)，微位移控制器(600)控制壓電陶瓷微位移臺(tái)(210)帶動(dòng)反射鏡(220)沿垂直光路方向移動(dòng)四分之一波長(zhǎng)的距離；然后，觸發(fā)器(500)觸發(fā)CXD相機(jī)(300)拍攝第二幅干涉圖12存儲(chǔ)進(jìn)計(jì)算機(jī)(400)； 步驟六、然后，微位移控制器(600)控制壓電陶瓷微位移臺(tái)(210)帶動(dòng)反射鏡再次沿垂直光路方向移動(dòng)四分之一波長(zhǎng)的距離；觸發(fā)器(500)觸發(fā)CXD相機(jī)(300)拍攝第三幅干涉圖h存儲(chǔ)進(jìn)計(jì)算機(jī)； 步驟七、然后，微位移控制器(600)控制壓電陶瓷微位移臺(tái)(210)帶動(dòng)反射鏡再次沿垂直光路方向移動(dòng)四分之一波長(zhǎng)的距離；觸發(fā)器(500)觸發(fā)CXD相機(jī)(300)拍攝第四幅干涉圖h存儲(chǔ)進(jìn)計(jì)算機(jī)；步驟八、利用四步相移公式計(jì)算出待測(cè)渦旋光束的包裹相位分布，actany5T ;對(duì)獲得的包裹相位分布圖進(jìn)行去包裹處理，解算出渦旋光束的真實(shí)相位分布δο;根據(jù)渦旋光束拓?fù)浜芍档亩xιιι=0/:2π計(jì)算出待測(cè)光束的拓?fù)浜芍祄，其中θ為繞拓?fù)浜梢恢艿南辔桓淖儯鏁r(shí)針?lè)较驗(yàn)檎郎u旋，順時(shí)針?lè)较蚋淖優(yōu)樨?fù)渦旋； 步驟九、重復(fù) 上述過(guò)程，多次測(cè)量取平均值，最終獲得渦旋光束的拓?fù)浜芍怠?br> 【文檔編號(hào)】G01J9/00GK103954367SQ201410159072
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】李新忠, 臺(tái)玉萍, 王輝, 張利平, 李海生, 呂芳捷, 李立本 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)