基于光強(qiáng)分析的分?jǐn)?shù)階渦旋光束拓?fù)浜芍禍y(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】基于光強(qiáng)分析的分?jǐn)?shù)階渦旋光束拓?fù)浜芍禍y(cè)量方法，利用光束分束裝置將拓?fù)浜芍禐閙的待測(cè)渦旋光束分為兩束光，將其中一束光倒置，變?yōu)榇郎y(cè)光束的共軛光束；待測(cè)渦旋光束與其共軛渦旋光束相互干涉，形成的干涉圖案在CCD相機(jī)中成像；然后，儲(chǔ)存進(jìn)計(jì)算機(jī)；利用計(jì)算機(jī)對(duì)干涉條紋圖進(jìn)行處理，將待測(cè)渦旋光束與其共軛光束相干涉，并記錄干涉條紋圖，后根據(jù)干涉條紋圖亮條紋分布以及各個(gè)亮斑的強(qiáng)度比較計(jì)算得到拓?fù)浜芍?，本發(fā)明方法能實(shí)現(xiàn)渦旋光束任意階(0.1階)精度拓?fù)浜芍档臏y(cè)量，具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，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(zhuān)利說(shuō)明】基于光強(qiáng)分析的分?jǐn)?shù)階渦旋光束拓?fù)浜芍禍y(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)階渦旋光束拓?fù)浜芍档姆椒?，具體的說(shuō)是涉及一種利用光強(qiáng)分析測(cè)量分?jǐn)?shù)階渦旋光束拓?fù)浜芍禍y(cè)量方法。
【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)。由于渦旋光束的拓?fù)浜芍?即光子軌道角動(dòng)量)是攜帶了光束的信息和能量，因此，精確測(cè)量拓?fù)浜芍凳菧u旋光束研究時(shí)首先要解決的問(wèn)題。
[0003]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。其中，P.Va I ty利用傾斜雙凸透鏡的邁克爾遜干涉光路測(cè)量了整數(shù)階渦旋[OpticsLetters, 37(2012) 1301-1303]，通過(guò)數(shù)干涉亮條紋數(shù)可測(cè)量拓?fù)浜芍禐?4以內(nèi)的渦旋光束；而典型的衍射測(cè)量方法有三角孔衍射法，該方法可測(cè)量7以內(nèi)的拓?fù)浜芍礫OpticsLetters, 36(2011)787-789]。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。
[0004]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】

[0005]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)精度的基于光強(qiáng)分析的分?jǐn)?shù)階渦旋光束拓?fù)浜芍禍y(cè)量方法。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:基于光強(qiáng)分析的分?jǐn)?shù)階渦旋光束拓?fù)浜芍禍y(cè)量方法，該方法利用由準(zhǔn)直擴(kuò)束器、分束鏡1、分束鏡I1、道威棱鏡、反射鏡1、反射鏡I1、成像透鏡、CCD相機(jī)II和計(jì)算機(jī)II構(gòu)成的裝置進(jìn)行檢測(cè)，待測(cè)渦旋光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束器擴(kuò)束后照射在分束鏡I上，分為透射光束和反射光束；透射光束照射在一道威棱鏡上，經(jīng)過(guò)道威棱鏡后，照射在反射鏡I上，反射后照射在分束鏡II上；反射光束照射在反射鏡II上，反射后照射在分束鏡II上；透射光束和反射光束經(jīng)分束鏡II合束后，經(jīng)成像透鏡后在CXD相機(jī)中干涉成像，CCD相機(jī)記錄的干涉條紋圖傳輸進(jìn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
[0007]基于光強(qiáng)分析的分?jǐn)?shù)階渦旋光束拓?fù)浜芍禍y(cè)量裝置的測(cè)量方法，主要為:
將待測(cè)渦旋光束與其共軛光束相干涉，并記錄干涉條紋圖；
若干涉條紋圖亮條紋分布具有圓對(duì)稱(chēng)性，則利用公式m = ?0/2，求得渦旋光束的拓?fù)浜芍?，其中，為拓?fù)浜芍担??為亮斑個(gè)數(shù)；
若干涉條紋亮斑分布不具有圓對(duì)稱(chēng)性但具有軸對(duì)稱(chēng)性且各個(gè)亮斑的強(qiáng)度相同，則通過(guò)公式m = &/2 + ￡i,求得渦旋光束的拓?fù)浜芍?，其中?J1為亮斑個(gè)數(shù)，^的值通過(guò)干涉圖樣對(duì)稱(chēng)軸上兩個(gè)光強(qiáng)極大值的比值％來(lái)確定；
若干涉條紋亮斑分布不具有圓對(duì)稱(chēng)性但具有軸對(duì)稱(chēng)性且各亮斑的強(qiáng)度不同時(shí)，則通過(guò)公式Ot = 5./2 + ?，求得渦旋光束的拓?fù)浜芍?，其中??2為強(qiáng)度相同的亮斑個(gè)數(shù)，e2的值通過(guò)
干涉圖樣對(duì)稱(chēng)軸上兩個(gè)光強(qiáng)極大值的比值A(chǔ)來(lái)確定。
[0008]基于光強(qiáng)分析的分?jǐn)?shù)階渦旋光束拓?fù)浜芍禍y(cè)量裝置的測(cè)量方法，具體的步驟如下:
步驟一、利用光束分束裝置將拓?fù)浜芍禐?的待測(cè)渦旋光束分為兩束光，將其中一束光倒置，變?yōu)榇郎y(cè)光束的共軛光束；
步驟二、待測(cè)渦旋光束與其共軛渦旋光束相互干涉，形成的干涉圖案在CCD相機(jī)中成像；然后，儲(chǔ)存進(jìn)計(jì)算機(jī)；
步驟三、利用計(jì)算機(jī)對(duì)干涉條紋圖進(jìn)行處理，若干涉條紋圖亮條紋分布具有圓對(duì)稱(chēng)性，
則利用公式? = ?q/2，求得渦旋光束的拓?fù)浜芍担渲?，《為拓?fù)浜芍担??為亮斑個(gè)數(shù)；
步驟四、若干涉條紋 亮斑分布不具有圓對(duì)稱(chēng)性但具有軸對(duì)稱(chēng)性且各個(gè)亮斑的強(qiáng)度相
同，則通過(guò)公式繼= ^/2 + ? ,求得渦旋光束的拓?fù)浜芍担渲?，H1為亮斑個(gè)數(shù)，的值通過(guò)
干涉圖樣對(duì)稱(chēng)軸上兩個(gè)光強(qiáng)極大值的比值A(chǔ)來(lái)確定；
步驟五、在步驟四條件下，若Of1 = OJ,則5 = 0.1,此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐? = /2+ 0.1 ；
步驟六、在步驟四條件下，若巧=0.655，則￡'1 = -0.3，此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐閙 = /2 —0.3 ；
步驟七、在步驟四條件下，若A = 0.346，則巧=-^〗，此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐閙 = /2- 0,2 ；
步驟八、在步驟四條件下，若％ = 0.1，則Q =-0.1，此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐閙 = /2-0.1 ；
步驟九、若干涉條紋亮斑分布不具有圓對(duì)稱(chēng)性但具有軸對(duì)稱(chēng)性且各亮斑的強(qiáng)度不同時(shí)，則通過(guò)公式《 = ?2/2 + ε.2,求得渦旋光束的拓?fù)浜芍担渲校??2為強(qiáng)度相同的亮斑個(gè)數(shù)，
的值通過(guò)干涉圖樣對(duì)稱(chēng)軸上兩個(gè)光強(qiáng)極大值的比值μ未確定；
步驟十、在步驟九條件下，若％ = 0.9，則q = 0.4,此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐閙 = ^2/2 + 0.4 ；
步驟十一、若《2 = 0^555，則F2 = 0.3 ,此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐椤?=巧/2 +0.3 ；
步驟十二、若^ = 0.346，則ε2 = 0.2 ,此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐椤?=巧/2+ 0.2 ；
步驟十三、若^ = (I I,則F2 = CU ,此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐閙 =巧/2 + O J ；
步驟十四、最終，利用干涉條紋圖的光強(qiáng)分析可實(shí)現(xiàn)任意階精度渦旋光束拓?fù)浜芍档臏y(cè)量。
[0009]本發(fā)明的工作原理是:
假設(shè)有一束待測(cè)拉蓋爾-高斯渦旋光束[Phys.Rev.Lett.92，143905 (2004)]，其在觀察面的復(fù)振幅為:
【權(quán)利要求】
1.基于光強(qiáng)分析的分?jǐn)?shù)階渦旋光束拓?fù)浜芍禍y(cè)量方法，該方法利用由準(zhǔn)直擴(kuò)束器(110)、分束鏡I (121)、分束鏡II (122)、道威棱鏡(130)、反射鏡I (141)、反射鏡II (142)、成像透鏡(150)、CXD相機(jī)II (200)和計(jì)算機(jī)II (300)構(gòu)成的裝置進(jìn)行檢測(cè)，待測(cè)渦旋光束(100)經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束器(110)擴(kuò)束后照射在分束鏡I (121)上，分為透射光束和反射光束；透射光束照射在一道威棱鏡(130)上，經(jīng)過(guò)道威棱鏡(130)后，照射在反射鏡I (141)上，反射后照射在分束鏡II (122)上；反射光束照射在反射鏡II (142)上，反射后照射在分束鏡II(122)上；透射光束和反射光束經(jīng)分束鏡II (122)合束后，經(jīng)成像透鏡(150)后在CXD相機(jī)(200)中干涉成像，CXD相機(jī)(200)記錄的干涉條紋圖傳輸進(jìn)計(jì)算機(jī)(300)進(jìn)行處理；其特征在于:測(cè)量方法如下: 將待測(cè)渦旋光束與其共軛光束相干涉，并記錄干涉條紋圖； 若干涉條紋圖亮條紋分布具有圓對(duì)稱(chēng)性，則利用公式? =巧/2，求得渦旋光束的拓?fù)浜芍?，其中，《為拓?fù)浜芍担??為亮斑個(gè)數(shù)； 若干涉條紋亮斑分布不具有圓對(duì)稱(chēng)性但具有軸對(duì)稱(chēng)性且各個(gè)亮斑的強(qiáng)度相同，則通過(guò)公式》= ^/2 + ?,求得渦旋光束的拓?fù)浜芍?，其中，Z7l為亮斑個(gè)數(shù)，ei的值通過(guò)干涉圖樣對(duì)稱(chēng)軸上兩個(gè)光強(qiáng)極大值的 比值％來(lái)確定； 若干涉條紋亮斑分布不具有圓對(duì)稱(chēng)性但具有軸對(duì)稱(chēng)性且各亮斑的強(qiáng)度不同時(shí)，則通過(guò)公式m = ^/2 + ?，求得渦旋光束的拓?fù)浜芍?，其中??2為強(qiáng)度相同的亮斑個(gè)數(shù)，e2的值通過(guò)干涉圖樣對(duì)稱(chēng)軸上兩個(gè)光強(qiáng)極大值的比值^來(lái)確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光強(qiáng)分析的分?jǐn)?shù)階渦旋光束拓?fù)浜芍禍y(cè)量方法，其特征在于:步驟如下: 步驟一、利用光束分束裝置將拓?fù)浜芍禐?的待測(cè)渦旋光束分為兩束光，將其中一束光倒置，變?yōu)榇郎y(cè)光束的共軛光束； 步驟二、待測(cè)渦旋光束與其共軛渦旋光束相互干涉，形成的干涉圖案在CCD相機(jī)中成像；然后，儲(chǔ)存進(jìn)計(jì)算機(jī)； 步驟三、利用計(jì)算機(jī)對(duì)干涉條紋圖進(jìn)行處理，若干涉條紋圖亮條紋分布具有圓對(duì)稱(chēng)性，則利用公式《 = %/2，求得渦旋光束的拓?fù)浜芍?其中為拓?fù)浜芍?/?為亮斑個(gè)數(shù)； 步驟四、若干涉條紋亮斑分布不具有圓對(duì)稱(chēng)性但具有軸對(duì)稱(chēng)性且各個(gè)亮斑的強(qiáng)度相同，則通過(guò)公式樹(shù)= ^/2 + ? ,求得渦旋光束的拓?fù)浜芍担渲?，?為亮斑個(gè)數(shù)，的值通過(guò)干涉圖樣對(duì)稱(chēng)軸上兩個(gè)光強(qiáng)極大值的比值A(chǔ)來(lái)確定； 步驟五、在步驟四條件下，若^ = 0.9,則￡\ = 0.1,此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐閙 -n2 /2 + 0.1 ； 步驟六、在步驟四條件下，若％ = 0.655，則F1 = -CB,此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐閙 - ^/2-0.3 ； 步驟七、在步驟四條件下，若^ = 0.346，則^ = -0.2，此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐閙 = /2 — 0,2 ； 步驟八、在步驟四條件下，若％二0.1，則￡1 =-0.1，此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐閙 = /2 - O, I ； 步驟九、若干涉條紋亮斑分布不具有圓對(duì)稱(chēng)性但具有軸對(duì)稱(chēng)性且各亮斑的強(qiáng)度不同時(shí),則通過(guò)公式《 =巧/2 + 5，求得渦旋光束的拓?fù)浜芍担渲?，n2為強(qiáng)度相同的亮斑個(gè)數(shù)， 的值通過(guò)干涉圖樣對(duì)稱(chēng)軸上兩個(gè)光強(qiáng)極大值的比值A(chǔ)來(lái)確定； 步驟十、在步驟九條件下，若％ = 0.9，則6 = 0.4,此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐閙 = n2 /2 + 0.4 ； 步驟十一、若％ = 0.655，則S2 = CG ,此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐椤?= ?2/2 + 0.3 ； 步驟十二、若α2 = 0346，則S2 = α2 ,此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐? 5 /2 + 12 ； 步驟十三、若％ = 0.1,則A = 0.1,此時(shí)待測(cè)光束的拓?fù)浜芍禐閙 = ?2/2 + 0.1 ; 步驟十四、最終，利用干涉條紋圖的光強(qiáng)分析可實(shí)現(xiàn)任意階精度渦旋光束拓?fù)浜芍档臏y(cè)量。
【文檔編號(hào)】G01J11/00GK103983367SQ201410181175
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】李新忠, 臺(tái)玉萍, 王輝, 張利平, 李賀賀, 呂芳捷 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)