基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法
阅读说明：本技术 基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法 (Adjustable single-mode vortex light beam orbit angular momentum detection method based on holographic grating ) 是由 王岩坤 白璐 郭雅� 于 2021-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明属于光学技术领域,公开了一种基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法,所述基于Romero和Dickey提出的最佳分束理论,根据理论,得到一维全息光栅的连续相位函数φ(x)；将一维全息光栅的连续相位函数φ(x)推广到二维φ(x,y)；运用软件编程实现一维全息光栅和二维全息光栅的可行性；结合实验,基于SLM对理论模拟的结果进行验证,确定方法的可行性。本发明采用数值模拟与实验演示的方式,将基于SLM的强度与位置分布可调的全息光栅以数学形式具体化,并给出一个简单的演示实验,以达到对单模态涡旋光束轨道角动量的探测。(The invention belongs to the technical field of optics, and discloses a holographic-grating-based adjustable single-mode vortex beam orbit angular momentum detection method, wherein a continuous phase function phi (x) of a one-dimensional holographic grating is obtained according to the theory based on the optimal beam splitting theory proposed by Romero and Dickey; the continuous phase function phi (x) of the one-dimensional holographic grating is popularized to two dimensions phi (x, y); the feasibility of one-dimensional holographic grating and two-dimensional holographic grating is realized by software programming; and (4) verifying the theoretical simulation result based on the SLM in combination with the experiment to determine the feasibility of the method. The invention adopts a numerical simulation and experimental demonstration mode, embodies the holographic grating with adjustable intensity and position distribution based on the SLM in a mathematical form, and provides a simple demonstration experiment to achieve the detection of the orbital angular momentum of the single-mode vortex beam.)
技术领域
本发明属于光学
技术领域
，尤其涉及一种基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法。背景技术
目前，涡旋光束携带有轨道角动量，有关于轨道角动量的探测与确定已经成为一个重要的议题。传统确定涡旋光束轨道角动量的方法有干涉法、衍射法等等，然而，这两种方法具有光路准直要求高，衍射原件难于获取等缺点。由于空间光调制器(SLM)的广泛应用，已经报道并提出了基于SLM的全息光栅法；然而，受制于SLM的衍射效应，其衍射效率也不能到达100％，并且其衍射强度与位置分布不可调。因此迫切需要一种强度与位置分布可调的涡旋光束轨道角动量的探测方法，使得涡旋光束的拓扑荷进行确定。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中受制于SLM的衍射效应，其衍射效率也不能到达100％，并且其衍射强度与位置分布不可调。
解决以上问题及缺陷的难度为：由于衍射效率不能达到100％，因此存在着衍射不充分的问题；此外，由于衍射强度与位置分布不可调，导致后端对应通道的筛选与测量存在误差，并且对于光学系统的对准与搭建存在困难。
解决以上问题及缺陷的意义为：当衍射位置分布与对应的强度分布可调之后，对OAM的探测提供了更精准的方案，通过调节光栅常量对衍射位置的调控，也对后端光学系统的对准与搭建提供了便利，以便于对对应的通道进行调制与解调，使测量更准确。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法。本发明将强度与位置可调的全息光栅应用于涡旋光束轨道角动量的探测系统中，给出了探测方法。
本发明是这样实现的，一种基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法，所述基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法，包括：
步骤一，基于Romero和Dickey提出的最佳分束理论，根据理论，得到一维全息光栅的连续相位函数φ(x)；基于最佳分束理论，对一维全息光栅的相位函数的设计提供了参考，并且对二维全息光栅的推广给出了依据，为后面实验的设计与证明提供理论指导。
步骤二，将一维全息光栅的连续相位函数φ(x)推广到二维φ(x,y)；一维全息光栅的衍射角有限，若将其推广到二维，二维全息光栅的衍射级次可以选择的更多，并且二维全息光栅可以充分利用SLM的衍射面，达到对光的充分调制，对通道的数量也有大幅度的提升；
步骤三，运用软件编程实现一维全息光栅和二维全息光栅的可行性；从理论上验证了方案的可行性，为后面的实验提供理论指导；
步骤四，结合实验，基于SLM对理论模拟的结果进行验证，确定方法的可行性。结合简单的实验案例，以确定了提出的方法的可行性，从理论和实验的对比来看，吻合很好，为整个全息光栅的设计以及对OAM的探测提供了方针。
进一步，所述步骤一中，一维全息光栅的相位函数φ(x)的傅里叶展开形式为：
其中m为衍射阶数，T为光栅常量，其中傅里叶系数Cm为：
相位光栅所产生的各衍射级次的复振幅可以表示为：
其中|cm|为振幅，φ0为初相位，l为拓扑荷，为方位角。
进一步，所述步骤二中，将一维全息光栅的连续相位函数φ(x)推广到二维φ(x,y)，具体过程为：
将一维全息光栅扩展至二维，在x方向上的一维全息光栅为：
同理在y方向上的一维全息光栅为：
结合以上两式，可以得到二维全息光栅：
φ(x,y)＝φ(x)+φ(y)；
其中，控制|cm|与T的取值不同，对经过全息光栅后衍射的光束进行强度与位置的调控，并且对任意位置处的拓扑荷进行调控。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法包括下列步骤：
步骤一，基于Romero和Dickey提出的最佳分束理论，根据理论，得到一维全息光栅的连续相位函数φ(x)；
步骤二，将一维全息光栅的连续相位函数φ(x)推广到二维φ(x,y)；
步骤三，运用软件编程实现一维全息光栅和二维全息光栅的可行性；
步骤四，结合实验，基于SLM对理论模拟的结果进行验证，确定方法的可行性。
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明采用数值模拟与实验演示的方式，将基于SLM的强度与位置分布可调的全息光栅以数学形式具体化，并给出一个简单的演示实验，以达到对单模态涡旋光束轨道角动量的探测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的高斯光束入射一维全息光栅后的理论模拟与实验图。
图3是本发明实施例提供的实验光路图。
图4是本发明实施例提供的高斯光束入射二维全息光栅后的理论模拟与实验图。
图5是本发明实施例提供的不同模态的涡旋光束入射二维全息光栅后的实验图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图1所示，本发明实施例提供的基于全息光栅可调单模态涡旋光束轨道角动量探测方法，包括：
S101：基于Romero和Dickey提出的最佳分束理论，根据理论，得到一维全息光栅的连续相位函数φ(x)。
S102：将一维全息光栅的连续相位函数φ(x)推广到二维φ(x,y)。
S103：运用软件编程实现一维全息光栅和二维全息光栅的可行性。
S104：结合实验，基于SLM对理论模拟的结果进行验证，确定方法的可行性。
本发明实施例提供的S101中，一维全息光栅的相位函数φ(x)的傅里叶展开形式为：
其中m为衍射阶数，T为光栅常量。其中傅里叶系数Cm为：
相位光栅所产生的各衍射级次的复振幅可以表示为：
其中|cm|为振幅，φ0为初相位，l为拓扑荷，为方位角。
本发明实施例提供的S102中，将一维全息光栅的连续相位函数φ(x)推广到二维φ(x,y)，具体过程为：
将一维全息光栅扩展至二维，在x方向上的一维全息光栅为：
同理在y方向上的一维全息光栅为：
结合以上两式，可以得到二维全息光栅：
φ(x,y)＝φ(x)+φ(y)；
可以看到，控制|cm|与T的取值不同，对经过全息光栅后衍射的光束进行强度与位置的调控，并且对任意位置处的拓扑荷也可以进行调控。
本发明中运用软件编程从理论上实现上述一维全息光栅和二维全息光栅的可行性；结合实验，对理论模拟的结果进行验证，以确定这种方法的可行性。本发明从理论上将一维全息光栅相位函数推广到二维，通过不同衍射级次强度与位置的调控，达到对涡旋光束轨道角动量的探测。此外，从理论和实验上证明了这一方法的可行性，并给出了对单模态涡旋光束轨道角动量的探测方法。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
1、理论使用的计算软件与基本参数
使用的理论软件为Wolfram下的Mathematica软件。
一维光栅的Cm1＝1，Cm2＝1，l1＝+1，l2＝+2，T＝10μm；
二维光栅的|c(-1,1)|＝0.01279，|c(1,1)|＝0.25894，|c(-1,-1)|＝0.58262，|c(1,-1)|＝0.14565，φ0＝0，l(-1,1)＝-3，l(1,1)＝-1，l(-1,-1)＝1，l(1,-1)＝3，Tx＝Ty＝10μm。
2、一维全息光栅的理论与实验结果
高斯光束经过一维全息光栅后的强度分布理论与实验结果结果如图2所示。
3、实验光路与二维全息光栅的理论与实验结果
实验光路如图3所示。高斯光束经过二维全息光栅的理论与实验结果如图4所示。单模态涡旋光束经过二维全息光栅的实验结果如图5所示。
综上所述，本发明提出了一种基于全息光栅的强度与位置可调的对单模态涡旋光束的探测方法。理论上将一维全息光栅的相位函数推广到二维，并利用软件编程得到了高斯光束入射全息光栅后的远场强度分布图样。进一步结合实验结果，验证了方法的可行性，并得到了单模态涡旋光束入射全息光栅后的远场强度分布图样，对单模态涡旋光束的轨道角动量成功探测。通过光栅常量和拓扑荷以及强度分布的调控，给出了强度与位置可调的全息光栅的编码依据。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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