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摘 要

激光自从出现就一直是热门的光学测量工具，激光测量也是当下高精度测量的研究热点。激光测量有很多的优点，例如测量精度高、测量速度快等。作为激光的一种，轨道角动量光（Orbital Angular Momentum of Light 简称 OAM ）有许多独特的光学特性，使得它在很多领域都应用广泛，携带OAM的光束成为近20年来的研究热点。因为其具有螺旋相位,因此在粒子操控、光纤通讯、旋转测量等领域都有着广泛的应用。本论文主要是对OAM光应用于Mach-Zehnder（MZ）干涉仪的旋转测量进行研究。我们理论研究了OAM光束的特性，利用OAM光提高Mach-Zehnder干涉仪的相位测量精度原理。实验上我们首先利用叉形光栅制备OAM光束，搭建了自由空间型高精度MZ干涉仪，获得了不同拓扑荷数下的干涉图样并计算了干涉效率。最后通过研究测量精度与轨道角动量光的拓扑荷数的对应关系，论证OAM光进行旋转信号增强测量的可行性。

关键词：OAM光 旋转测量 Mach-Zehnder干涉仪

Measurement of rotation signal based on orbital angular

momentum light

ABSTRACT

Laser has been a popular optical measurement tool since it appeared. Meanwhile laser measurement is a research hotspot of high precision measurement due to their many advantages, for example high accuracy and fast speed. As a kind of lasers, Orbital Angular Momentum of Light (OAM) has many unique optical properties, which makes it widely used in many fields. The beam carrying OAM has become a research hotspot in recent 20 years. For example, its helical phase characteristics make it suitable for optical fiber communication, particle manipulation, rotation measurement and other fields. In this paper, the rotation measurement of Mach-Zehnder (MZ) interferometer is studied based on the application of OAM light. We theoretically studied the characteristics of the OAM beam and used the OAM light to improve the phase measurement accuracy principle of Mach-Zehnder interferometer. In the experiment, we first used fork-shaped grating to prepare OAM beam, and built a free-space high-precision MZ interferometer. The interference patterns under different topological charges were obtained and the interference efficiency was calculated. Finally, by studying the relationship between the measurement accuracy and the topological charge number of the orbital angular momentum light, the feasibility of the measurement of rotation signal enhancement by OAM light is demonstrated.

Keywords: OAM light; rotation measurement; Mach-Zehnder interferometer

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 2

1.3 OAM光束的产生 3

1.3.1 螺旋相位板法(SSP法) 3

1.3.2 计算全息法(CGH法) 4

1.3.3 液晶空间光调制器法(SLM法) 5

1.4 OAM光束的应用 6

1.4.1 旋转测量 6

1.4.2 光纤通讯 6

1.4.3 捕获微粒 7

1.5 论文主要内容及安排 7

第二章 基于OAM光束的旋转角度测量原理研究 9

2.1 叉形光栅制备OAM光束 9

2.2 旋转测量原理介绍 10

2.2.1 旋转测量原理——利用截面相位分布直接测量 10

2.3 实验设计原理 12

2.3.1 Mach-Zehnder 干涉仪结构及工作原理 12

2.3.2 干涉测量原理 13

2.3.3 实验方案 14

第三章 旋转信号测量 16

3.1 实验系统设计 16

3.1.1 OAM光束的制备 16

3.1.2 M-Z干涉仪部分 17

3.1.3 旋转信号的测量 17

3.2 干涉效率测量 18

3.2.1 干涉系统的构建 18

3.2.2 干涉效率的测量 18

第四章 总结与展望 21

4.1 论文总结 21

4.2 不足与展望 21

参考文献 23

致谢 25

绪论

研究背景和意义

光是一种既具有能量又具有动量的电磁波。一般把动量分为两类：一是线动量，二是角动量。角动量也可以分成两类：一类是自旋角动量（SAM）,一类是轨道角动量（OAM）。

如图 1.1 所示，围绕中心旋转的粒子内存在自旋角动量，围绕路径方向旋转的粒子中则存在轨道角动量。Poynting在1909年就了解到了自旋角动量的存在。1936 年，Beth实验证实了自旋角动量这一正确的构想。不同于自旋角动量，轨道角动量关系到相位空间分布。涡旋光束就是既有轨道角动量数目又有螺旋相位的光束。Allen等人在1992年发现了OAM的存在^[1-3]。

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