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光學工程
完美渦旋光束拓撲荷值的在線原位測量

在渦旋光束中,拓撲荷值是一個重要的參數,它決定了軌道角動量大小及波分復用與信息編碼能力。對這一參數進行實驗測定是理解渦旋光束其他特征性質的前提。

近年來,完美渦旋光束及艾里渦旋光束等新型光束被不斷產生出來,不過此類光束僅出現在空間光調制器的傅里葉平面。對于這些新型光束拓撲荷值的測量,傳統的干涉/衍射方法已不適用。

針對該問題,日前,河南科技大學物理工程學院李新忠教授課題組基于傅里葉變換中的相移技術,使得衍射光場±1級衍射相互疊加發生干涉,利用干涉圖樣特征,巧妙地實現了完美渦旋光束拓撲荷值的在線原位測量。相關研究成果發表在Optics Letters [42(1), 135-138(2017)]上。


圖1 整數階及半整數階完美渦旋光強圖

首先,他們利用計算全息術+空間光調制器的方法來產生完美渦旋光束,該方法可得到任意分數階的完美渦旋光束且其光束質量非常理想(圖1)。由于在產生渦旋光束的過程中采用了菲涅爾全息的原理,重建光場僅包含0級,±1級衍射。其中+1級為完美渦旋光束,而-1級恰好是其共軛波(圖2)。若使兩者疊加發生干涉,則可實現對完美渦旋光束拓撲荷值的測量[Phys. Rev. Lett. 88, 257901 (2002)]。


圖2 完美渦旋及其共軛波移動、重疊及干涉過程

基于這一思想,該課題組利用傅里葉變換的平移性質,對相位掩模板施加相移,使傅里葉平面上的±1級衍射相對移動,相互疊加后發生干涉,該過程如圖2所示。通過數螺旋形干涉花瓣數(m),便可輕松實現對整數階拓撲荷值的測量l=m/2(圖3);由圖3可看出,干涉圖案清晰,并且無寄生干涉雜光影響。


圖3 整數階完美渦旋及其共軛波的干涉圖

而對于半整數階完美渦旋光束而言,其干涉圖案左右兩側分別形成一個分叉(圖4),若分叉數用mf表示,則整數階與半整數階拓撲荷值的測量公式可統一表達為l=m/2-mf/4。

該技術可在產生完美渦旋光束的同時實現對其拓撲荷值的在線、原位測量,而無需額外布置測量光路。該方法本質上是在物平面即實現了±1級的疊加,因而其干涉圖案穩定性好且不受寄生干涉及環境振動等因素的影響。


圖4 半整數階完美渦旋及其共軛波的干涉圖

該方法可應用于其他多種在傅里葉平面產生的新型渦旋光束(如Airy光束、Miguel光束等)的拓撲荷值的快速測定。該論文為完美渦旋光束在微粒操縱、量子信息編碼及圖像處理等領域的應用奠定了基礎,具有重要的科學意義。


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