[发明专利]一种分光棱镜及探测涡旋光束拓扑荷的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于相干光学测量领域，具体涉及一种分光棱镜及探测涡旋光束拓扑荷的方法和装置。

背景技术

涡旋光束是一类具有螺旋形相位波前的奇异光场，具有可以被表示为exp(ilθ)形式的波前相位结构。其中方位角θ是关于笛卡尔坐标轴x、y的函数，定义为tanθ＝y/x；l为拓扑荷，可以是正数，也可以是负数，表示相位围绕光束中心旋转一周变化2lπ，并且不同拓扑荷符号对应相反的螺旋方向。涡旋光束的螺旋相位结构中心点与任意径向均在同一条等相位线上，导致该点相位无法定义，因而被称为相位奇点。涡旋光束的螺旋相位结构使光子围绕光轴呈螺旋状传输，类似于电子围绕原子核旋转而具有轨道角动量，涡旋光束中光子携带正比于拓扑荷l的轨道角动量其中表示普朗克常数除以2π。由拓扑荷所表征的螺旋相位结构和量子化的轨道角动量，使涡旋光束在光学微操纵、量子计算、光通信、日冕观测、特殊形貌光学加工等技术领域有着广阔的应用前景。因而，对涡旋光束拓扑荷的测量具有非常重要的意义。

目前，关于涡旋光束拓扑荷的测量方法可以归纳为衍射法与干涉法两类。衍射法是通过分析涡旋光束经特殊设计的光学元件衍射后的光场分布，来获得拓扑结构信息。这些特殊设计的光学衍射元件包括三角孔、六角孔、环形孔以及圆锥孔等。然而，这些光学衍射元件结构的特殊性与复杂性局限了其应用的范围。干涉法是通过涡旋光束与另一束参考光束(平面波、球面波等)的干涉，来判别涡旋光束的拓扑荷信息，其中较为典型的是基于马赫-曾德干涉仪光路的双光束干涉法。2004年，Jonathan Leach等发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》第92卷第1期中的论文“Interferometric Methods to Measure Orbital and Spin,or the Total Angular Momentum of a Single Photon”和2010年李阳月等发表在《物理学报》第59卷第3期中的论文“涡旋光束的产生与干涉”，都是利用马赫-曾德干涉仪装置实现涡旋拓扑荷的探测。但是，双光束干涉法也存在一些不可避免的问题，如需要理想的参考光束、光路复杂并且对环境的微扰较为敏感。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种分光棱镜及探测涡旋光束拓扑荷的方法和装置，解决现有测量涡旋光束拓扑荷方法所存在的复杂性与不稳定性等局限性，是一种光路紧凑、测量简单快速、结果稳定的测量方法。

技术方案

一种用于测量涡旋光束拓扑荷的分光棱镜，其特征在于：将一块立方体棱镜平行于一对棱边对角切开，切面研磨抛光后，将其中一面镀金属膜成为中间反射层，然后将两块棱镜再次胶合成立方体得到分光棱镜。

一种利用所述分光棱镜探测涡旋光束拓扑荷的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将待测涡旋光束入射进分光棱镜中，调整待测涡旋光束的传输光轴与分光棱镜的中间反射层之间的夹角，使入射的涡旋光束沿着分光棱镜的中间反射层进入分光棱镜；进入分光棱镜的涡旋光束被分成两部分，分别在分光棱镜的中间反射层上发生透射与反射，进而在分光棱镜中干涉叠加，形成干涉条纹；

步骤2：利用置于分光棱镜之后的电荷耦合器件CCD记录所产生的干涉图样；

步骤3：根据所获得的干涉图样中断裂条纹的个数与位置，得到被测涡旋光束的拓扑荷信息。

一种实现所述分光棱镜探测涡旋光束拓扑荷的方法的装置，其特征在于包括激光器1、倒置望远镜系统2、准直透镜3、反射镜4、空间光调制器5、第一傅里叶变换透镜6、第二傅里叶变换透镜8、小孔滤波器7、分光棱镜9、电荷耦合器件10和11-计算机；激光器1与反射镜4的光轴上依次设有倒置望远镜系统2和准直透镜3；反射镜4与分光棱镜9的光轴上依次设有空间光调制器5-、第一傅里叶变换透镜6、第二傅里叶变换透镜8和小孔滤波器7；分光棱镜9的后方设有电荷耦合器件10，电荷耦合器件10与计算机11相连；所述空间光调制器5上被加载产生所需要的涡旋光束的全息图。

所述激光器1为波长514.5nm的氩离子激光器。

改变第一傅里叶变换透镜6与第二傅里叶变换透镜8的焦距大小，以控制涡旋光束光斑大小的变化，使之满足R≤L[1-tan(arcsin(2/2n)]/2，其中R为涡旋光束光斑半径，L为分光棱镜中间反射层长度，n是分光棱镜的折射率。

以全息掩模版、螺旋相位板或旋转镜面高斯振荡器替换空间光调制器5。

有益效果