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专利名称：一种光旋涡拓扑数测量方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，涉及一种光学测量方法，尤其是一种光旋涡拓扑数测
量方法。
背景技术：
对光旋涡(optical vortex)测量的需求广泛存在于光场分析、波前检测、光学测量、仪器评估、光学微操控等领域。例如，在光场分析中，当光束含有光旋涡时，光旋涡的拓扑数(topological charge)就是十分重要的参量,它不仅关系到相位分布,还很大程度上影响光强分布和光学角动量分布，对拓扑数的测量至关重要。在先技术中，存在光旋润拓扑数测量方法，参见论文题目measuring the topological charge of integer andfraction vortices using multipoint plates,发表在期干丨J《Optical Review》的 2011年第 18 卷第 I 期，页码范围 7-12,作者为 Yang-yue Li, Hui Liu, Zi-yang Chen,Ji-xiong Pu, Bao-Ii Yao,此方法是将还有光旋涡的光束经过有多个小孔构成的圆环形图样的挡光屏，光束经过挡光屏上的多个小孔后发生干涉现象，两维干涉图样收到光旋涡拓扑数的影响，通过分析干涉图样得到光旋涡拓扑数。此方法具有一定的有优点，但是存在本质不足1)方法实现不便利，存在一定工艺难度，需要制作还有多个小孔的挡光屏，不仅要制作小孔，同时，将多个小孔排列成圆环形，存在一定工艺难度，并且难以避免小孔的定位误差，亦造成拓扑数测量误差，影响检测准确度；2)两维干涉图样不仅与光旋涡的拓扑数有关系，还有小孔的尺寸和排布情况有直接关系，所以通过干涉图样检测光旋涡拓扑数存在较多干扰参量，容易收到干扰，拓扑数测量的精度和准确度低；3)由于两维干涉图样与光旋涡拓扑数没有一个直接明确的相互关系，需要对两维干涉图样进行采集，进行二维图形的分析与处理，需要较为复杂的数据处理过程，使用不便利，限制应用范围。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光旋涡拓扑数测量方法，
本发明的基本构思是利用含有光旋润的洛伦兹高斯光束(Lorentz Gaussian beam)
聚焦特性实现光旋涡拓扑数测量，具体就是将被检测光旋涡利用相位调制器件引入洛伦兹高斯光束，洛伦兹高斯光束是线偏振光束，偏振方向与洛伦兹高斯光束呈现高斯函数分布方向一致，光旋涡中心与洛伦兹高斯光束的对称中心重合，然后将含有光旋涡的洛伦兹高斯光束通过会聚元件进行聚焦，通过线阵光电传感器检测焦平面上与入射光束偏振相垂直的方向上的光强分布曲线，光强分布曲线的波谷数量即为光旋涡拓扑数，非对称光强分布曲线的波峰比值小数即为分数拓扑数的去整余数。从而实现准确测量光旋涡拓扑数。本发明一种光旋涡拓扑数测量方法具体步骤如下
步骤(I):将被检测光旋涡利用相位调制器件引入洛伦兹高斯光束，洛伦兹高斯光束 是线偏振光束，偏振方向与洛伦兹高斯光束呈现高斯函数分布方向一致，光旋润中心与洛伦兹高斯光束的对称中心重合；步骤(2):将含有光旋涡的洛伦兹高斯光束作为光学会聚元件的入射光束，并且含有光旋涡的洛伦兹高斯光束的光轴与光学会聚元件的光轴重合，光学会聚元件对含有光旋涡的洛伦兹高斯光束进行聚焦；
步骤(3):将线阵光电传感器设置于含有光旋涡的洛伦兹高斯光束的会聚焦平面的瑞利距离范围内；线阵光电传感器中起到光电转化作用的传感阵列与光学会聚元件的光轴相垂直，并且传感阵列与光学会聚元件的光轴相交，同时，线阵光电传感器中起到光电转化作用的传感阵列与洛伦兹高斯光束的偏振方向垂直；
步骤(4):线阵光电传感器检测与入射光束偏振相垂直的方向上的光强分布曲线，光强分布曲线的波谷数量即为光旋涡拓扑数，非对称光强分布曲线的波峰比值小数即为分数拓扑数的去整余数，从而实现准确测量光旋涡拓扑数。所述的相位调制器件是液晶型空间光调制器、非周期性固体微纳结构器件、相位片的一种。
所述的线阵光电传感器是线阵电荷耦合器件(简称CCD)、线阵互补金属氧化物半导体器件(简称CMOS)、光电二极管线阵的一种。所述的光学会聚元件是会聚透镜、会聚透镜组、反射式会聚镜的一种。本发明中洛伦兹高斯光束的产生、相位调制器件和线阵光电传感器的使用、光强分布曲线处理技术均为成熟技术。光强分布曲线与光旋涡拓扑数的定量关系可以通过现有光学理论建立起来。本发明的发明点在于将被检测光旋涡利用相位调制器件引入洛伦兹高斯光束，利用含有光旋涡的洛伦兹高斯光束聚焦特性，给出一种测量方法简单、便于实现、抗干扰性强、测量准确度高、数据处理简单的光旋涡拓扑数测量方法。本发明的有益效果
I、本发明提供的方法本质上不需要由小孔构成的器件，所使用的均为宏观器件，克服了现有技术中的制作工艺不便利、检测方法复杂的不足，本发明提供的方法具有测量方法简单、便于实现的特点。2、本发明是将被检测光旋涡利用相位调制器件引入洛伦兹高斯光束，利用含有光旋涡的洛伦兹高斯光束聚焦特性检测拓扑数，本质上决定了实现方法简单灵活，结构定位要求低，系统可靠性和稳定性高，可操作性强。3、本发明中所检测到的光强分布曲线与拓扑数存在直接明显的对应关系，根本不需要复杂的数据处理，数据处理简单，使用便利，应用范围广泛。


图I为本发明中一种实施方法示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明一种光旋涡拓扑数测量方法，该方法包括以下步骤
步骤(I):如图I所示，将被检测光旋涡利用相位调制器件2引入由激光二极管I产生洛伦兹高斯光束，洛伦兹高斯光束是线偏振光束，偏振方向与洛伦兹高斯光束呈现高斯函数分布方向一致，光旋涡中心与洛伦兹高斯光束的对称中心重合。相位调制器件2采用德国Holoeye公司的基于液晶的相位型空间光调制器，相位调制器件2在使用过程中有一个控制器5与其相连接，被检测的光旋涡的拓扑数可硬通过相位调制器件2进行调节。步骤(2):将含有光旋涡的洛伦兹高斯光束作为光学会聚元件4的入射光束，并且含有光旋涡的洛伦兹高斯光束的光轴与光学会聚元件4的光轴重合，光学会聚元件4对含有光旋涡的洛伦兹高斯光束进行聚焦。本实施例中，光学会聚元件4采用会聚透镜组，由两个透镜组成的双胶合透镜组，直径51. 8毫米，焦距为200毫米。步骤(3):将线阵光电传感器4设置于含有光旋涡的洛伦兹高斯光束的会聚焦平 面的瑞利距离范围内；线阵光电传感器4中起到光电转化作用的传感阵列与光学会聚元件3的光轴垂直，并且与光学会聚元件3的光轴相交，同时，线阵光电传感器4中起到光电转化作用的传感阵列与洛伦兹高斯光束的偏振方向垂直。其中线阵光电传感器4采用1014像素点的线阵CCD光电传感器，设置在光学会聚元件3的焦平面上。步骤(4):线阵光电传感器检测到与入射光束偏振相垂直的方向上的光强分布曲线，光强分布曲线的波谷数量就是光旋涡拓扑数，非对称光强分布曲线的波峰比值小数即为分数拓扑数的去整余数，实现了准确测量光旋涡拓扑数。本实施例中，首先进行了整数拓扑数的测量，成功实现了 1、2、3、4等整数光旋涡拓扑数检测，其次进行了分数光旋涡拓扑数测量，成功实现了 I. 5,2. 5,3. 5,4. 5等分数光旋涡拓扑数测量。
权利要求
1.一种光旋涡拓扑数测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 步骤(I):将被检测光旋涡利用相位调制器件引入洛伦兹高斯光束，洛伦兹高斯光束是线偏振光束，偏振方向与洛伦兹高斯光束呈现高斯函数分布方向一致，光旋润中心与洛伦兹高斯光束的对称中心重合； 步骤(2):将含有光旋涡的洛伦兹高斯光束作为光学会聚元件的入射光束，并且含有光旋涡的洛伦兹高斯光束的光轴与光学会聚元件的光轴重合，光学会聚元件对含有光旋涡的洛伦兹高斯光束进行聚焦； 步骤(3):将线阵光电传感器设置于含有光旋涡的洛伦兹高斯光束的会聚焦平面的瑞利距离范围内；线阵光电传感器中起到光电转化作用的传感阵列与光学会聚元件的光轴相垂直，并且传感阵列与光学会聚元件的光轴相交，同时，线阵光电传感器中起到光电转化作用的传感阵列与洛伦兹高斯光束的偏振方向垂直； 步骤(4):线阵光电传感器检测与入射光束偏振相垂直的方向上的光强分布曲线，光强分布曲线的波谷数量即为光旋涡拓扑数，非对称光强分布曲线的波峰比值小数即为分数拓扑数的去整余数，从而实现准确测量光旋涡拓扑数。
2.根据权利要求I所述的一种光旋涡拓扑数测量方法，其特征在于所述的相位调制器件是液晶型空间光调制器、非周期性固体微纳结构器件、相位片的一种。
3.根据权利要求I所述的一种光旋涡拓扑数测量方法，其特征在于所述的线阵光电传感器是线阵电荷耦合器件、线阵互补金属氧化物半导体器件、光电二极管线阵的一种。
4.根据权利要求I所述的一种光旋涡拓扑数测量方法，其特征在于所述的光学会聚元件是会聚透镜、会聚透镜组、反射式会聚镜的一种。
全文摘要
本发明公布了一种光旋涡拓扑数测量方法，现有技术方法复杂、测量灵敏度低、容易收到干扰、数据处理复杂。本发明利用含有光旋涡的洛伦兹高斯光束聚焦特性实现光旋涡拓扑数测量，具体就是将被检测光旋涡利用相位调制器件引入洛伦兹高斯光束，然后将含有光旋涡的洛伦兹高斯光束通过会聚元件进行聚焦，通过线阵光电传感器检测焦平面上与入射光束偏振相垂直的方向上的光强分布曲线，光强分布曲线的波谷数量即为光旋涡拓扑数，非对称光强分布曲线的波峰比值小数即为分数拓扑数的去整余数。从而实现准确测量光旋涡拓扑数。本发明测量方法简单、便于实现、抗干扰性强、测量准确度高、数据处理简单等特点。
文档编号G01J1/00GK102706444SQ20121020926
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者高秀敏 申请人:杭州电子科技大学