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一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置及其測量方法.pdf

關 鍵 詞:
一種 測量 分數 光學 渦旋 拓撲 裝置 及其 測量方法
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摘要
申請專利號:

CN201410159072.0

申請日:

2014.04.18

公開號:

CN103954367A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

終止

有效性:

無權

法律詳情: 未繳年費專利權終止IPC(主分類):G01J 9/00申請日:20140418授權公告日:20160831終止日期:20170418|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01J 9/00申請日:20140418|||公開
IPC分類號: G01J9/00 主分類號: G01J9/00
申請人: 河南科技大學
發明人: 李新忠; 臺玉萍; 王輝; 張利平; 李海生; 呂芳捷; 李立本
地址: 471000 河南省洛陽市澗西區西苑路48號
優先權:
專利代理機構: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙) 41120 代理人: 羅民健
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410159072.0

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2018.05.04|||2016.08.31|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

專利權的終止|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置及其測量方法,包括利用計算機全息技術將生成計算全息圖寫入空間光調制器的步驟;采用邁克爾遜干涉光路和四步相移技術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相位θ的分布,再由拓撲荷的定義m=θ/2π計算得到任意分數階精度的拓撲荷值m。本發明裝置及方法能實現分數階渦旋光束任意階(0.1階)精度的拓撲荷值的測量,將渦旋光束拓撲荷值的測量從目前的半整數階(0.5階)精確到任意階;可廣泛應用于玻色-愛因斯坦凝聚、量子通信、信息編碼與傳輸、粒子囚禁、光鑷、光扳手等領域的拓撲荷值測量。

權利要求書

權利要求書
1.  一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置,其特征在于:包括一連續波激光器(100),在該連續波激光器(100)的光束前進方向依次設有準直擴束器(110)、高斯-平頂光束轉換器(120)、起偏器(131)、分束鏡(140);經分束鏡(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(210)上;反射后的透射光束和反射光束再次經過分束鏡(140)合束后,經會聚透鏡(230)會聚后照射在光闌(240)上,通過檢偏器(132)后進入CCD相機(300)成像;
所述的空間光調制器(150)與計算機(400)連接,計算機(400)將計算全息圖輸入到空間光調制器(150)上;
所述的壓電陶瓷微位移臺(210)與微位移控制器(600)相連,所述的微位移控制器(600)分別與計算機(400)和觸發器(500)相連;
所述的CCD相機(300)分別與計算機(400)和觸發器(500)相連。

2.  根據權利要求1所述的一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置的測量方法,其特征在于:
包括利用計算機全息技術將生成計算全息圖寫入空間光調制器的步驟;
采用邁克爾遜干涉光路和四步相移技術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相位θ的分布,再由拓撲荷的定義                                                計算得到任意分數階精度的拓撲荷值m。

3.  根據權利要求2所述的測量方法,其特征在于:步驟如下:
步驟一、利用計算機全息技術將待測渦旋光束與平行光生成計算機全息圖,由計算機(400)寫入空間光調制器(150);通過計算機(400)設定好微位移控制器(600)、觸發器(500)的參數;
步驟二、打開連續波激光器電源,連續波激光器(100)發出的激光束,經過準直擴束器(110)后,再由高斯-平頂光束轉換器(120)將高斯光束轉換為平頂光束;
步驟三、將步驟二得到的平頂光束經分束鏡(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制器(150)上,解調出待測渦旋光束,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分束鏡(140)合束后照射在會聚透鏡(230)上,然后,利用光闌(240)選擇渦旋光束合適的1級衍射光,經過檢偏器(132)后進入CCD相機(300),反射光束與渦旋光束在CCD相機(300)中形成的干涉圖像I1存儲進計算機(400);
步驟五、根據計算機(400)設定的參數,微位移控制器(600)控制壓電陶瓷微位移臺(210)帶動反射鏡(220)沿垂直光路方向移動四分之一波長的距離;然后,觸發器(500)觸發CCD相機(300)拍攝第二幅干涉圖I2存儲進計算機(400);
步驟六、然后,微位移控制器(600)控制壓電陶瓷微位移臺(210)帶動反射鏡再次沿垂直光路方向移動四分之一波長的距離;觸發器(500)觸發CCD相機(300)拍攝第三幅干涉圖I3存儲進計算機;
步驟七、然后,微位移控制器(600)控制壓電陶瓷微位移臺(210)帶動反射鏡再次沿垂直光路方向移動四分之一波長的距離;觸發器(500)觸發CCD相機(300)拍攝第四幅干涉圖I4存儲進計算機;
步驟八、利用四步相移公式計算出待測渦旋光束的包裹相位分布, ;對獲得的包裹相位分布圖進行去包裹處理,解算出渦旋光束的真實相位分布;根據渦旋光束拓撲荷值的定義計算出待測光束的拓撲荷值m,其中θ為繞拓撲荷一周的相位改變,逆時針方向為正渦旋,順時針方向改變為負渦旋;
步驟九、重復上述過程,多次測量取平均值,最終獲得渦旋光束的拓撲荷值。

說明書

說明書一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置及其測量方法
技術領域
本發明涉及一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置及其測量方法,具體的說是涉及一種利用相位測量分數階渦旋拓撲荷值的裝置和方法。
背景技術
由于渦旋光束在玻色-愛因斯坦凝聚、量子信息編碼、粒子囚禁、光鑷及光扳手等領域具有重要的應用前景,成為近年來信息光學領域一個非常重要的研究熱點。2004年,M.V. Berry首次系統、全面的闡述了分數階光學渦旋的理論基礎(M. V. Berry, J Opt a-Pure Appl Op 6 (2004) 259)。分數階渦旋光束可攜帶更多信息量、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。
生成分數階光學渦旋的最簡潔方法是利用計算全息圖顯示在空間光調制器上。由于分數階渦旋光束的空間穩定性很差,因此,在研究分數階渦旋光束特性及應用時,對生成的分數階渦旋光束的拓撲荷值(即光子軌道角動量)進行精確測量是首先需要解決的問題。
從目前研究看,渦旋光束拓撲荷值的測量主要分為干涉測量和衍射測量。但這兩種方法都是通過數干涉/衍射條紋數測量來實現,僅能達到半整數階(0.5階)精度(A. Mourka et al., Optics Express 19 (2011) 5760)的拓撲荷值測量。
因此,如何實現任意階(0.1階)精度的拓撲荷值的測量是該技術領域面臨的一個亟待解決的技術難題。
發明內容
本發明要解決的技術問題:提供一種能實現任意階(0.1階)精度的分數階光學渦旋拓撲荷值測量的裝置及其測量方法。
本發明所采用的技術方案為:一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置,包括一連續波激光器,在該連續波激光器的光束前進方向依次設有準直擴束器、高斯-平頂光束轉換器、起偏器、分束鏡;經分束鏡后,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上;反射后的透射光束和反射光束再次經過分束鏡合束后,經會聚透鏡會聚后照射在光闌上,通過檢偏器后進入CCD相機成像;
所述的空間光調制器與計算機連接,計算機將計算全息圖輸入到空間光調制器上;
所述的壓電陶瓷微位移臺與微位移控制器相連,所述的微位移控制器分別與計算機和觸發器相連;
所述的CCD相機分別與計算機和觸發器相連。
一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置的測量方法,主要由以下內容構成:
包括利用計算機全息技術將生成計算全息圖寫入空間光調制器的步驟;
采用邁克爾遜干涉光路和四步相移技術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相位θ的分布,再由拓撲荷的定義                                               計算得到任意分數階精度的拓撲荷值m。
一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置的測量方法,詳細步驟如下:
步驟一、首先按照測量光路布置好上述部件,利用計算機全息技術將待測渦旋光束與平行光生成計算機全息圖,由計算機寫入空間光調制器;通過計算機設定好微位移控制器、觸發器的參數;
步驟二、打開連續波激光器電源,連續波激光器發出的激光束,經過準直擴束器后,再由高斯-平頂光束轉換器將高斯光束轉換為平頂光束;
步驟三、將步驟二得到的平頂光束經分束鏡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制器上,解調出待測渦旋光束,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上,反射后也照射在分束鏡上;渦旋光束與反射光束經分束鏡合束后照射在會聚透鏡上,然后,利用光闌選擇渦旋光束合適的1級衍射光,經過檢偏器后進入CCD相機,反射光束與渦旋光束在CCD相機中形成的干涉圖像I1存儲進計算機;
步驟五、根據計算機設定的參數,微位移控制器控制壓電陶瓷微位移臺帶動反射鏡沿垂直光路方向移動四分之一波長的距離;然后,觸發器觸發CCD相機拍攝第二幅干涉圖I2存儲進計算機;
步驟六、然后,微位移控制器控制壓電陶瓷微位移臺帶動反射鏡再次沿垂直光路方向移動四分之一波長的距離;觸發器觸發CCD相機拍攝第三幅干涉圖I3存儲進計算機;
步驟七、然后,微位移控制器控制壓電陶瓷微位移臺帶動反射鏡再次沿垂直光路方向移動四分之一波長的距離;觸發器觸發CCD相機拍攝第四幅干涉圖I4存儲進計算機;
步驟八、利用四步相移公式計算出待測渦旋光束的包裹相位分布, ;對獲得的包裹相位分布圖進行去包裹處理,解算出渦旋光束的真實相位分布;根據渦旋光束拓撲荷值的定義計算出待測光束的拓撲荷值m,其中θ為繞拓撲荷一周的相位改變,逆時針方向為正渦旋,順時針方向改變為負渦旋;
步驟九、重復上述過程,多次測量取平均值,消除系統誤差和隨機誤差,最終獲得渦旋光束的拓撲荷值。
本發明的工作原理是:
利用計算全息法和空間光調制器產生光學渦旋的步驟可分為三步:其一、利用計算機通過一定的編碼方法產生二維計算全息圖;其二、將設計的計算全息圖寫入空間光調制器,得到物理上可用的位錯光柵;其三、用平面波照射到位錯光柵上,在±1級衍射級次上產生的光學渦旋,通過濾波等操作提取出來。
假設有一沿z軸傳播的渦旋光束
(1)
其中,m為渦旋光束的拓撲荷值階數;
一束平面波傳播方向與z軸夾角為α,則平面波函數可寫為
(2)
假設兩束光的束腰平面在z =0 平面上,當兩束光在該平面發生干涉時,干涉光強分布為
(3)
若兩光束都為單位振幅光束時,則
(4)
利用公式(4)可以模擬出平面波和渦旋光束的干涉圖(全息圖),利用計算機全息術將其寫入空間光調制器。當用平行光照射空間光調制器時,則再現出渦旋光束E1作為待測光束。
采用邁克爾遜干涉光路,通過反射鏡反射的參考光和照射在空間光調制器上再現出的渦旋光束相互干涉,在CCD相機中形成的干涉條紋圖的強度分布可表示為,
(5)
式中A(x,y),B(x,y)分別為干涉條紋圖的背景強度和調制強度,為待測渦旋光束E1的相位。
公式(5)中的I(x,y)是已知量,但A(x,y),B(x,y)和均為未知量,即上述一個方程中含有3個未知量,因此若上述方程求解,至少要有3個獨立方程,才能確定待測相位。
本申請方案中采用最成熟的時間相移干涉法中的四步相移法,獲得四幅干涉條紋圖求解。四次相移量依次為0, /2, , 3/2,對應的參考光的光程移動分別為0, /4, /2, 3/4;獲得四幅干涉條紋圖的光強分布可表示為
(6)
求解(6)式,可得渦旋光束的相位分布,
(7)
從公式(7)可以看出,為分布于(-/2, /2)區間上的包裹相位分布。采用合適的去包裹算法,獲得渦旋光束的真實相位分布。
然后,根據渦旋光束拓撲荷值的定義m=θ/2計算出待測光束的拓撲荷值m,其中θ為繞拓撲荷一周的相位改變,逆時針方向為正渦旋,順時針方向改變為負渦旋。最終,該方法可實現任意階(0.1階)精度的拓撲荷值的測量。
與以往技術相比,本發明的優點:本發明裝置及方法能實現分數階渦旋光束任意階(0.1階)精度的拓撲荷值的測量,將渦旋光束拓撲荷值的測量從目前的半整數階(0.5階)精確到任意階;可廣泛應用于玻色-愛因斯坦凝聚、量子通信、信息編碼與傳輸、粒子囚禁、光鑷、光扳手等領域的拓撲荷值測量。
附圖說明
圖1為發明測量裝置的結構示意圖。
附圖說明:100-連續波激光器,110-準直擴束器,120-高斯-平頂光束轉換器,131-起偏器,140-分束鏡,150-空間光調制器,210-壓電陶瓷微位移臺,220-反射鏡,230-會聚透鏡,240-光闌,132-檢偏器,300-CCD相機,400-計算機,500-觸發器,600-微位移控制器。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。
按照圖1的結構布置測量光路圖;由附圖可見,一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置,包括一連續波激光器100,在該連續波激光器100的光束前進方向依次設有準直擴束器110、高斯-平頂光束轉換器120、起偏器131、分束鏡140;經分束鏡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制器150上;反射光束照射在反射鏡220上,反射鏡220安裝在壓電陶瓷微位移臺210上;反射后的透射光束和反射光束再次經過分束鏡140合束后,經會聚透鏡230會聚后照射在光闌240上,通過檢偏器132后進入CCD相機300成像;
所述的空間光調制器150與計算機400連接,計算機400將計算全息圖輸入到空間光調制器150上;
所述的壓電陶瓷微位移臺210與微位移控制器600相連,所述的微位移控制器600與計算機400和觸發器500相連;
所述的CCD相機300與計算機400和觸發器500相連。
一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置的測量方法,其主要是:
包括利用計算機全息技術將生成計算全息圖寫入空間光調制器150的步驟;
采用邁克爾遜干涉光路和四步相移技術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相位θ的分布,再由拓撲荷的定義計算得到任意分數階精度的拓撲荷值m。
一種測量分數階光學渦旋拓撲荷值的裝置的測量方法,其具體步驟如下:
步驟一、選擇合適的連續波激光器100、準直擴束器110、高斯-平頂光束轉換器120、起偏器131、分束鏡140、空間光調制器150、反射鏡220、壓電陶瓷微位移臺210、會聚透鏡230、光闌240、檢偏器132、CCD相機300、微位移控制器600、觸發器500和計算機400,布置好測量光路,利用計算機全息術將待測渦旋光束與平行光生成計算機全息圖,由計算機400寫入空間光調制器150;通過計算機400設定好微位移控制器600和觸發器500的參數;
步驟二、打開連續波激光器100,連續波激光器100發出的激光束,經過擴束準直鏡110后,再由高斯-平頂光束轉換器120將高斯光束轉換為平頂光束,這保證了渦旋光束全息再現的準確性;
步驟三、將步驟二得到的平頂光束經起偏器131、分束鏡140后分為反射光束和透射光束;透射光束作為參考光束照射在空間光調制器150上,解調出待測渦旋光束,照射在分束器140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器140上;渦旋光束與反射光束經分束器140合束后照射在會聚透鏡230上,然后,利用光闌240選擇渦旋光束的1級衍射,經過檢偏器132后進入CCD相機300,反射光束與渦旋光束在CCD相機300中形成的干涉圖像I1存儲進計算機400;
步驟五、根據計算機400設定的參數,微位移控制器600控制壓電陶瓷微位移臺210帶動反射鏡220沿垂直光路方向移動四分之一波長的距離;然后,觸發器500觸發CCD相機300拍攝第二幅干涉圖I2存儲進計算機400;
步驟六、然后,微位移控制器600控制壓電陶瓷微位移臺210帶動反射鏡220再次沿垂直光路方向移動四分之一波長的距離;觸發器500觸發CCD相機300拍攝第三幅干涉圖I3存儲進計算機400;
步驟七、然后,微位移控制器600控制壓電陶瓷微位移臺210帶動反射鏡220再次沿垂直光路方向移動四分之一波長的距離;觸發器500觸發CCD相機300拍攝第四幅干涉圖I4存儲進計算機400;
步驟八、利用四步相移公式計算出待測渦旋光束的包裹相位分布,;對獲得的包裹相位分布圖進行去包裹處理,解算出渦旋光束的真實相位分布;根據渦旋光束拓撲荷值的定義計算出待測光束的拓撲荷值m,其中θ為繞拓撲荷一周的相位改變,逆時針方向為正渦旋,順時針方向改變為負渦旋;
步驟九、重復上述過程,多次測量取平均值,消除系統誤差和隨機誤差,最終獲得分數階渦旋光束的拓撲荷值。
經實驗表明:本發明裝置及方法能實現任意階(0.1階)渦旋光束拓撲荷值的測量,與現有測量方法相比,測試精度提高了一個數量級;并且具有光路簡潔、快速、準確的特點。   內容來自專利網www.wwszu.club轉載請標明出處

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