【哈特曼传感器】测量涡旋激光模式

    带轨道角动量（OAM）的激光光束，也叫涡旋光束。相应的波前为涡旋结构，通常用拉盖尔-高斯模式描述。图1显示了涡旋模式波前的例子，几幅图具有不同的拓扑荷。

图1. 拓扑荷分别为1, 2, 3的涡旋模式模拟图

    OAM光束可以通过螺旋相位板、计算机全息图、空间光调制器、光学纳米天线阵列或环形谐振腔生成。其应用包括光镊中的旋转粒子捕获、弱微流体电流生成、STED显微镜、通过螺旋相位对比成像的边沿滤波、以及改进光学数据传输和量子密码。夏克-哈特曼波前传感器是OAM光束评价中的一种多功能工具。下文描述如何用Optocraft的夏克-哈特曼波前传感器SHSLab进行涡旋波前的测量与评价。

    实验光路如图2所示：光从光纤耦合的激光二极管出射，波长为635nm，经过准直，通过螺旋相位板。夏克-哈特曼波前传感器SHSCam-BR-110-GE的横向分辨率为58×43的微透镜阵列，被直接放置在相位板后，以便将波前的传播效应最小化。为简单起见，没有使用中继光学元件。首先，从光路中移去相位板进行测量，作为之后测量的参考。实验测量了不同拓扑荷（分别为1，2，3）的螺旋相位板。

图2. 涡旋波前测量的实验光路

    由于涡旋波前的相位不连续性，经典夏克-哈特曼波前重构算法不能计算涡旋波前。但是，通常评估波前传感器探测到的点位移分布已经足够分析螺旋相位板对透射波的影响。点位移分布实际上代表了相应波前的梯度场。

    SHSWorks软件提供了从点场中自动移除倾斜和离焦的功能，这对于分析涡旋梯度场以及与模拟结果比较十分必要，见图3。此外，SHSWorks可以通过以下路径积分，根据梯度场计算拓扑荷：

图3. 测量到的点位移（左）和移除倾斜离焦后的点位移（右）

    下表显示了测量15个不同螺旋相位板的拓扑荷的结果，分为3组，拓扑荷分别为1，2，3。lmeasured 与ldesign之间的偏差来自有限个取样点所带来的离散性。

表1. 拓扑荷的测量结果