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基于光強分析的分數階渦旋光束拓撲荷值測量方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410181175.7

申請日:

2014.04.30

公開號:

CN103983367A

公開日:

2014.08.13

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 11/00申請日:20140430授權公告日:20170125終止日期:20170430|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01J 11/00申請日:20140430|||公開
IPC分類號: G01J11/00; G01J1/00 主分類號: G01J11/00
申請人: 河南科技大學
發明人: 李新忠; 臺玉萍; 王輝; 張利平; 李賀賀; 呂芳捷
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:

CN201410181175.7

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2018.05.18|||2017.01.25|||2014.09.10|||2014.08.13

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

基于光強分析的分數階渦旋光束拓撲荷值測量方法,利用光束分束裝置將拓撲荷值為m的待測渦旋光束分為兩束光,將其中一束光倒置,變為待測光束的共軛光束;待測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相機中成像;然后,儲存進計算機;利用計算機對干涉條紋圖進行處理,將待測渦旋光束與其共軛光束相干涉,并記錄干涉條紋圖,后根據干涉條紋圖亮條紋分布以及各個亮斑的強度比較計算得到拓撲荷值,本發明方法能實現渦旋光束任意階(0.1階)精度拓撲荷值的測量,具有實質性特點和顯著進步,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.  基于光強分析的分數階渦旋光束拓撲荷值測量方法,該方法利用由準直擴束器(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)、CCD相機Ⅱ(200)和計算機Ⅱ(300)構成的裝置進行檢測,待測渦旋光束(100)經準直擴束器(110)擴束后照射在分束鏡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,經過道威棱鏡(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分束鏡Ⅱ(122)合束后,經成像透鏡(150)后在CCD相機(200)中干涉成像,CCD相機(200)記錄的干涉條紋圖傳輸進計算機(300)進行處理;其特征在于:測量方法如下:
將待測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稱性,則利用公式                                               ,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,m為拓撲荷值,n為亮斑個數;
若干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各個亮斑的強度相同,則通過公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,n1為亮斑個數,e1的值通過干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值來確定;
若干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各亮斑的強度不同時,則通過公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,n2為強度相同的亮斑個數,e2的值通過干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值來確定。

2.  根據權利要求1所述的基于光強分析的分數階渦旋光束拓撲荷值測量方法,其特征在于:步驟如下:
步驟一、利用光束分束裝置將拓撲荷值為m的待測渦旋光束分為兩束光,將其中一束光倒置,變為待測光束的共軛光束;
步驟二、待測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相機中成像;然后,儲存進計算機;
步驟三、利用計算機對干涉條紋圖進行處理,若干涉條紋圖亮條紋分布具有圓對稱性,則利用公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,m為拓撲荷值,n為亮斑個數;
步驟四、若干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各個亮斑的強度相同,則通過公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,n1為亮斑個數,e1的值通過干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值來確定;
步驟五、在步驟四條件下,若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟六、在步驟四條件下,若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟七、在步驟四條件下,若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟八、在步驟四條件下,若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟九、若干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各亮斑的強度不同時,則通過公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,n2為強度相同的亮斑個數,e2的值通過干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值來確定;
步驟十、在步驟九條件下,若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟十一、若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟十二、若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟十三、若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟十四、最終,利用干涉條紋圖的光強分析可實現任意階精度渦旋光束拓撲荷值的測量。

說明書

說明書基于光強分析的分數階渦旋光束拓撲荷值測量方法
技術領域
本發明涉及一種測量分數階渦旋光束拓撲荷值的方法,具體的說是涉及一種利用光強分析測量分數階渦旋光束拓撲荷值測量方法。
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。由于渦旋光束的拓撲荷值(即光子軌道角動量)是攜帶了光束的信息和能量,因此,精確測量拓撲荷值是渦旋光束研究時首先要解決的問題。
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。其中,P. VaⅠty利用傾斜雙凸透鏡的邁克爾遜干涉光路測量了整數階渦旋[Optics Letters,37(2012)1301-1303],通過數干涉亮條紋數可測量拓撲荷值為14以內的渦旋光束;而典型的衍射測量方法有三角孔衍射法,該方法可測量7以內的拓撲荷值[Optics Letters,36(2011)787-789]。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)精度的基于光強分析的分數階渦旋光束拓撲荷值測量方法。
本發明所采用的技術方案為:基于光強分析的分數階渦旋光束拓撲荷值測量方法,該方法利用由準直擴束器、分束鏡Ⅰ、分束鏡Ⅱ、道威棱鏡、反射鏡Ⅰ、反射鏡Ⅱ、成像透鏡、CCD相機Ⅱ和計算機Ⅱ構成的裝置進行檢測,待測渦旋光束經準直擴束器擴束后照射在分束鏡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,經過道威棱鏡后,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分束鏡Ⅱ合束后,經成像透鏡后在CCD相機中干涉成像,CCD相機記錄的干涉條紋圖傳輸進計算機進行處理。
基于光強分析的分數階渦旋光束拓撲荷值測量裝置的測量方法,主要為:
將待測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稱性,則利用公式                                               ,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,m為拓撲荷值,n為亮斑個數;
若干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各個亮斑的強度相同,則通過公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,n1為亮斑個數,e1的值通過干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值來確定;
若干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各亮斑的強度不同時,則通過公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,n2為強度相同的亮斑個數,e2的值通過干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值來確定。
基于光強分析的分數階渦旋光束拓撲荷值測量裝置的測量方法,具體的步驟如下:
步驟一、利用光束分束裝置將拓撲荷值為m的待測渦旋光束分為兩束光,將其中一束光倒置,變為待測光束的共軛光束;
步驟二、待測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相機中成像;然后,儲存進計算機;
步驟三、利用計算機對干涉條紋圖進行處理,若干涉條紋圖亮條紋分布具有圓對稱性,則利用公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,m為拓撲荷值,n為亮斑個數;
步驟四、若干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各個亮斑的強度相同,則通過公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,n1為亮斑個數,e1的值通過干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值來確定;
步驟五、在步驟四條件下,若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟六、在步驟四條件下,若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟七、在步驟四條件下,若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟八、在步驟四條件下,若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟九、若干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各亮斑的強度不同時,則通過公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,n2為強度相同的亮斑個數,e2的值通過干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值來確定;
步驟十、在步驟九條件下,若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟十一、若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟十二、若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟十三、若,則,此時待測光束的拓撲荷值為;
步驟十四、最終,利用干涉條紋圖的光強分析可實現任意階精度渦旋光束拓撲荷值的測量。
本發明的工作原理是:
假設有一束待測拉蓋爾-高斯渦旋光束[Phys.Rev.Lett.92, 143905 (2004)],其在觀察面的復振幅為:
 (1)
其中,w0為光束的束腰,m為渦旋光束的拓撲荷值。其共軛光束為,
 (2)
兩束光在成像平面疊加的復振幅為,
 (3)
由(1)、(2)、(3)式得兩束光在成像平面相干疊加的光強為
 (4)
分析(4)式可知,該光強圖的干涉亮條紋分布在一個圓上。通過分析亮條紋的特點,我們就可以得到渦旋光束的拓撲荷值。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,本發明方法能實現渦旋光束任意階(0.1階)精度拓撲荷值的測量,具有實質性特點和顯著進步,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為發明中測量裝置的結構示意圖。
圖2為利用圖1測量裝置測得的拓撲荷值分別為m=2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3.0的10束待測渦旋光束的干涉條紋圖。其中,白色虛線為干涉條紋圖的對稱軸,白色實線為對稱軸上的歸一化光強值曲線。
附圖標記:100、待測渦旋光束,110、準直擴束器,121、分束鏡Ⅰ,122、分束鏡Ⅱ,130、道威棱鏡,141、反射鏡Ⅰ,142、反射鏡Ⅱ,150、成像透鏡,200、CCD相機,300、計算機。
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。
附圖1為測量裝置的結構示意圖,該裝置采用了改進的馬赫-曾德爾干涉光路,待測渦旋光束100經準直擴束器110擴束后照射在分束鏡Ⅰ121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,經過道威棱鏡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,反射后照射也在分束鏡Ⅱ 122上;透射光束和反射光束經分束鏡Ⅱ 122合束后,經成像透鏡150后在CCD相機200中干涉成像;CCD相機200記錄的干涉條紋圖傳輸進計算機300進行處理。
所述的透射光束經道威棱鏡130后,變成待測渦旋光束的共軛光束;
所述的反射光束與待測渦旋光束的特性相同(即拓撲荷值不變)。
在該實施例中,利用本發明的方法,我們分別對m=2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3.0的10束待測渦旋光束的拓撲荷值進行了測量,測量結果見附圖2。下面結合附圖2,對本實施例的測量過程進一步說明。
一種基于光強分析的分數階渦旋光束拓撲荷值測量方法,其主要是:
其一、將待測渦旋光束與其共軛光束相干涉,記錄干涉條紋圖;
其二、若干涉條紋圖亮條紋分布具有圓對稱性,則利用公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,m為拓撲荷值,n為亮斑個數;
其三、若干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各個亮斑的強度相同,則通過公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,n1為亮斑個數,e1的值通過干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值(兩者中的小值除以大值)來確定;
其四、若干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各亮斑的強度不同時,則通過公式,求得渦旋光束的拓撲荷值,其中,n2為強度相同的亮斑個數,e2的值通過干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值(兩者中的小值除以大值)來確定。
所述的基于光強分析的分數階渦旋光束拓撲荷值測量方法,其具體步驟如下:
步驟一、利用圖1中的分束鏡Ⅰ 121將拓撲荷值為m的待測渦旋光束分為兩束光,利用道威棱鏡130將其中的透射光束倒置,變為待測光束的共軛光束(其拓撲荷值變為-m);
步驟二、待測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200中成像;然后,儲存進計算機300;
步驟三、利用計算機300對干涉條紋圖進行處理,圖2(e)中干涉條紋圖亮條紋分布具有圓對稱性,且亮斑個數n0=5,求得渦旋光束的拓撲荷值為;圖2(j)中干涉條紋圖亮條紋分布具有圓對稱性,且亮斑個數n0=6,求得渦旋光束的拓撲荷值為;
步驟四、圖2(a)中干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各個亮斑的強度相同,亮斑個數n1=4,計算可得干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值(兩者中的小值除以大值)(相對誤差<10%),則;則渦旋光束的拓撲荷值為;
步驟五、圖2(b)中干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各個亮斑的強度相同,亮斑個數n1=5,計算可得干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值(兩者中的小值除以大值),所以;則渦旋光束的拓撲荷值為;
步驟六、圖2(c)中干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各個亮斑的強度相同,亮斑個數n1=5,計算可得干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值(兩者中的小值除以大值),所以;則渦旋光束的拓撲荷值為;
步驟七、圖2(d)中干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各個亮斑的強度相同,亮斑個數n1=5,計算可得干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值(兩者中的小值除以大值),所以;則渦旋光束的拓撲荷值為;
步驟八、圖2(f)中干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各亮斑的強度不同,亮斑個數n2=5,計算可得干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值(兩者中的小值除以大值),所以;則渦旋光束的拓撲荷值為;
步驟九、圖2(g)中干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各亮斑的強度不同,亮斑個數n2=5,計算可得干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值(兩者中的小值除以大值),所以;則渦旋光束的拓撲荷值為;
步驟十、圖2(h)中干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各亮斑的強度不同,亮斑個數n2=5,計算可得干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值(兩者中的小值除以大值),所以;則渦旋光束的拓撲荷值為;
步驟十一、圖2(i)中干涉條紋亮斑分布不具有圓對稱性但具有軸對稱性且各亮斑的強度不同,亮斑個數n2=5,計算可得干涉圖樣對稱軸上兩個光強極大值的比值(兩者中的小值除以大值),所以;則渦旋光束的拓撲荷值為;
步驟十二、與這10束渦旋光束生成時的拓撲荷值比較,該方法利用干涉條紋圖的光強分析準確實現了這10束分數階渦旋光束拓撲荷值的測量。
經實驗表明:本發明方法能實現任意階(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;并且具有方法簡單、快速、準確的特點。

關 鍵 詞:
基于 分析 分數 渦旋 光束 拓撲 測量方法
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