一次測量以表征對稱疊加光學(xué)渦旋復(fù)振幅單分量

導(dǎo)讀

復(fù)振幅測量是光場表征的必要前提，在這項(xiàng)工作中，課題組提出了一種僅用CCD記錄的一幅圖像來表征對稱疊加光學(xué)渦旋（SSOV）復(fù)振幅的一次測量方法。

一次測量方法基于UPOLabs HDSLM80R液晶空間光調(diào)制器搭建實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示，在實(shí)驗(yàn)中，該課題組選擇了四個典型的SSOV（一階、低階、高階和徑向節(jié)點(diǎn)）來表征復(fù)振幅。

一次性測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（A1-D1）SSOV的干擾強(qiáng)度

主要內(nèi)容

OV在光學(xué)微操作、等離子體激元、旋轉(zhuǎn)探測、光學(xué)通信、引力波探測等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。這里經(jīng)常使用對稱疊加OV（SSOV）來代替單個組件。在實(shí)際應(yīng)用之前需要表征SSOV中單個分量的復(fù)振幅，并測量其模式純度。它是OV的重要質(zhì)量參考，決定了OV在各種應(yīng)用中的性能。

測量疊加OV中單組分模式純度的實(shí)驗(yàn)裝置

許多已證明的方法表征和測量SSOV的模式純度，但最通用的方法是將場分解為模式的相干和，每個模式都有特定的振幅加權(quán)和相位：即所謂的模式分解。然而，它需要使用SLM逐個掃描多個全息圖來完成測量，測量效率較低。本論文課題組提出的一種僅用CCD記錄的一幅圖像來表征對稱疊加光學(xué)渦旋（SSOV）復(fù)振幅的一次測量方法，解決了測量效率低等問題，該方法是首次報(bào)道的。該方法耗時短，可以在0.24秒內(nèi)表征SSOV的復(fù)振幅，并實(shí)現(xiàn)模式純度的測量。由于使用要測量的SSOV的一部分作為參考光，盡管使用了相移技術(shù)，但不再需要額外的參考光束進(jìn)行干涉，這在以前沒有報(bào)道過。

一次測量方法包括兩種策略。一種是用于振幅測量的環(huán)形提取策略，另一種是針對相位測量的旋轉(zhuǎn)測量策略。在概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，對復(fù)振幅進(jìn)行了表征，并很好地測量了模式純度，這種方法具有極好的靈活性，快速性和魯棒性，可應(yīng)用于各種場合和惡劣條件。

論文簡要介紹了對全息圖進(jìn)行編碼以生成SSOV的過程，我們對全息圖進(jìn)行編碼，全息圖可以用于在純相位SLM上實(shí)現(xiàn)入射光的復(fù)數(shù)幅度調(diào)制。全息圖的編碼過程如圖所示：

全息圖編碼示意圖

為了通過一次測量獲得SSOV的復(fù)振幅，課題組提出了兩種策略。一種是用于振幅測量的環(huán)形提取策略，另一種是針對相位測量的旋轉(zhuǎn)測量策略。環(huán)提取策略的示意圖如圖（a1-a4）所示，旋轉(zhuǎn)測量策略的示意圖如圖（b1-b4）所示。

（a1-a4）環(huán)形提取策略和（b1-b4）旋轉(zhuǎn)測量策略示意圖

從理論上講，在得到四個強(qiáng)度分布結(jié)果后，可以反推導(dǎo)出所需的相位。然而，由于三角函數(shù)的引入，在實(shí)際計(jì)算中，所需的相位被包裝成 2π。我們不能通過簡單地除以2來獲得所需的結(jié)果，因此，需要相位展開技術(shù)。

計(jì)算所需相位的示意圖

為論證誤差對測量的影響，課題組從角度誤差、徑向誤差、實(shí)驗(yàn)誤差三個方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證。

角度誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示，結(jié)果表明它對模型純度的測量結(jié)果幾乎沒有影響，這充分證明了該方法的穩(wěn)健性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了旋轉(zhuǎn)測量策略的準(zhǔn)確性和魯棒性。

旋轉(zhuǎn)測量策略（新策略）與相移法（舊方法）在OAM光譜測量中的比較。

徑向誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示，結(jié)果表明它對模型純度的測量結(jié)果幾乎沒有影響，這充分證明了該方法的穩(wěn)健性。

區(qū)間d在環(huán)形提取策略中引入的徑向誤差

實(shí)驗(yàn)誤差結(jié)果如圖所示，結(jié)果表明隨著曝光時間的增加，測量的模式純度略有下降。

實(shí)驗(yàn)誤差對結(jié)果的影響

三個誤差導(dǎo)致測量的模式純度0.1%至0.01%的偏差，但總體而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自干擾方法具有良好的魯棒性。仔細(xì)的對準(zhǔn)和優(yōu)化的誤差分析使我們能夠生成和測量模式純度高達(dá)99.99%的單個組件。

審核編輯：湯梓紅