【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及自由電子激光裝置產生的極紫外至x射線波段渦旋光拓撲荷以及螺旋方向的診斷裝置。
技術介紹
1、渦旋光（vortex?light）是一種特殊的光束，其電磁波前具有螺旋形的相位結構，使得光束具有角動量。這種光束在多個領域中都有應用，包括光通信、顯微成像、光學操控以及量子信息等。渦旋光的診斷方法主要用于確定其特征參數，例如拓撲荷數（也稱為光學渦旋的量子數或螺旋度）、以及螺旋方向。
2、隨著自由電子激光裝置的快速發展，基于自由電子激光裝置產生極高亮度，超短脈寬的極紫外至x射線波段的渦旋光已成為當前最前沿的研究方向之一。對于渦旋光的診斷方法研究也十分迫切，目前對于極紫外至x射線波段渦旋光特征參數的診斷主要有以下幾種技術：
3、干涉法：通過將待測渦旋光與參考光束產生干涉，從干涉圖像中提取渦旋光的拓撲荷數。例如德國bahrdt及同事在第三代儲存環光源bessy?ii裝置上進行了實驗研究，首次觀察到了基于螺旋波蕩器產生x射線渦旋光。在實驗過程中，采用了將x射線渦旋光與x射線平面波干涉的方法來診斷x射線渦旋光的拓撲荷數和螺旋方向，參見文獻[j.?bahrdt?etal.,?first?observation?of?photons?carrying?orbit?angular?momentum?inundulators?radiation.?physical?review?letters,?111:034801,?2013]。該方法的缺點在于，需要對應波長的光學器件來實現光的傳輸，分光，合束等過程，特定波長的光學
4、相位恢復技術：對于紫外渦旋光的診斷，可以使用波前探測器采集光的強度分布和波前特征，然后利用特定的光學重構算法從測量到的光強分布中恢復出光束的相位信息，從而對渦旋光的相位結構進行表征，參見文獻[f.sanson?et?al.,?hartmannwavefront?sensor?characterization?of?a?high?charge?vortex?beam?in?the?extremeultraviolet?spectral?range.?optics?letters，vol.43,no.12,?15?june?2018]。該方法需要研制對應的hartmann波前探測器來完成渦旋光的診斷，參見文獻[m.?pascal?et?al.,hartmann?wave-front?measurement?at?13.4nm?with?λeuv/120?accuracy]，該波前探測器通過在0.08mm厚，邊長為15mm×15mm鎳板上加工出65個×65個方形小孔矩形整列，方孔的邊長為0.08mm，進一步地對方孔旋轉25°以防止方孔的衍射光場彼此干涉。因此，基于該探測器采集的光場數據，并結合光場圖像重構算法來實現渦旋光的診斷，測量過程相對復雜。
5、光學分叉儀（forked?gratings）：特殊設計的分叉衍射光柵可以將渦旋光分解成具有不同拓撲荷數的多個光束，通過分析這些光束可以診斷原始渦旋光的特性，參見文獻[koh?saitoh?et?al.,?measuring?the?orbit?angular?momentum?of?electron?vortexbeams?using?a?forked?grating.?physical?review?letters,111,074801,2013.]。該方法的缺點在于需要設計并加工所需的分叉衍射光柵，加工的難度和成本很高。
6、專利技術專利文件cn104792412b論述了使用超穎全息表面、耦合光柵以及硅基探測器組成的檢測系統，將渦旋光的拓撲荷數與為金屬表面產生的等離子體波對應，進而通過4個探測器采集等離子體波來確定輸入渦旋光的特性。測量過程中需要渦旋光的中心與超穎全息表面的中心重合，此外還需要建立與渦旋光特性對應的表面等離子體波光場數據庫，實施過程復雜。
7、但在自由電子激光領域，經過調研發現還沒有文獻或專利論述用多孔遠場干涉的方法來診斷渦旋光的拓撲荷數以及螺旋方向。
技術實現思路
1、本專利技術目的在于提供一種用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，以實現高效測量極紫外到x射線波段的渦旋光的拓撲荷數以及螺旋方向。
2、為了實現上述目的，本專利技術提供一種用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，所述渦旋光診斷裝置包括沿渦旋光的傳播方向依次排布的進光窗口、進光光闌、多孔陣列板、出光光闌和相機，以及一個用于容置所述進光光闌、多孔陣列板、出光光闌的真空腔體，所述進光窗口安裝于所述真空腔體的第一側，且相機通過光傳輸真空管安裝于所述真空腔體的與第一側相對的第二側；所述相機設置為獲取渦旋光的遠場干涉圖，以此確定渦旋光的渦旋光的拓撲荷數和螺旋方向。
3、所述渦旋光為極紫外到x射線波段的渦旋光，所述多孔陣列板的微孔的直徑為幾微米至幾十微米的范圍；所述多孔陣列板的微孔數量大于2倍待測的渦旋光的拓撲荷。
4、多孔陣列板的微孔的形狀設定為圓形或多邊形。
5、所述多孔陣列板的微孔沿著同心圓呈圓心旋轉對稱分布，同心圓的直徑為幾十微米至幾百微米范圍。
6、所述多孔陣列板的材料為不銹鋼薄板。
7、所述多孔陣列板安裝在三軸位移臺上。
8、所述進光光闌、三軸位移臺和出光光闌固定在真空腔體內的同一光學平板上。
9、所述多孔陣列板和三軸位移臺之間設有夾具，夾具用于多孔陣列板固定到三軸位移臺上。
10、所述多孔陣列板的數量是多個且彼此參數不同，并多個多孔陣列板通過同一個夾具固定在三軸位移臺上。
11、所述光傳輸真空管的長度為幾米量級；所述進光光闌和出光光闌之間的距離在1m左右。
12、本專利技術的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置實現真空條件，以降低空氣對紫外至x射線波段光強度的吸收，有利于渦旋光的無損傳輸；并且基于待診斷渦旋光的波長設計并加工出所需的多孔陣列板，基于多孔陣列遠場干涉圖像的強度分布，可以高效準確地診斷極紫外至x射線波段的渦旋光的拓撲荷數以及螺旋方向，并且可以實現渦旋光脈沖特性的單發診斷。此外，該裝置中無需分光鏡，反射鏡，透鏡等光學器件，結構簡單，為自由電子激光裝置產生渦旋光的方法研究以及渦旋光的應用提供準確的診斷工具。另外，本專利技術的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置通過微孔的尺寸、數量，微孔沿圓周分布的直徑、光場的傳輸距離方面的改進，可以高效地診斷極紫外到x射線波段渦旋光拓撲荷數以及渦旋方向，使得拓撲荷數較大的渦旋光同樣能夠被確認和區分。
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1.一種用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，包括沿渦旋光的傳播方向依次排布的進光窗口、進光光闌、多孔陣列板、出光光闌和相機，以及用于容置所述進光光闌、多孔陣列板、出光光闌的真空腔體，所述進光窗口安裝于所述真空腔體的第一側，且相機通過光傳輸真空管安裝于所述真空腔體的與第一側相對的第二側；所述相機設置為獲取渦旋光的遠場干涉圖，以此確定渦旋光的渦旋光的拓撲荷數和螺旋方向。
2.根據權利要求1所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，所述渦旋光為極紫外到X射線波段的渦旋光，所述多孔陣列板的微孔的直徑為幾微米至幾十微米的范圍；所述多孔陣列板的微孔數量大于2倍待測的渦旋光的拓撲荷。
3.根據權利要求1所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，多孔陣列板的微孔的形狀設定為圓形或多邊形。
4.根據權利要求1所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，所述多孔陣列板的微孔沿著同心圓呈圓心旋轉對稱分布，同心圓的直徑為幾十微米至幾百微米范圍。
5.根據權利要求1所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝
6.根據權利要求1所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，所述多孔陣列板安裝在三軸位移臺上。
7.根據權利要求6所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，所述進光光闌、三軸位移臺和出光光闌固定在真空腔體內的同一光學平板上。
8.根據權利要求6所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，所述多孔陣列板和三軸位移臺之間設有夾具，夾具用于多孔陣列板固定到三軸位移臺上。
9.根據權利要求8所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，所述多孔陣列板的數量是多個且彼此參數不同，并多個多孔陣列板通過同一個夾具固定在三軸位移臺上。
10.根據權利要求8所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，所述光傳輸真空管的長度為幾米量級；所述進光光闌和出光光闌之間的距離為1米。
...【技術特征摘要】
1.一種用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，包括沿渦旋光的傳播方向依次排布的進光窗口、進光光闌、多孔陣列板、出光光闌和相機，以及用于容置所述進光光闌、多孔陣列板、出光光闌的真空腔體，所述進光窗口安裝于所述真空腔體的第一側，且相機通過光傳輸真空管安裝于所述真空腔體的與第一側相對的第二側；所述相機設置為獲取渦旋光的遠場干涉圖，以此確定渦旋光的渦旋光的拓撲荷數和螺旋方向。
2.根據權利要求1所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，所述渦旋光為極紫外到x射線波段的渦旋光，所述多孔陣列板的微孔的直徑為幾微米至幾十微米的范圍；所述多孔陣列板的微孔數量大于2倍待測的渦旋光的拓撲荷。
3.根據權利要求1所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，多孔陣列板的微孔的形狀設定為圓形或多邊形。
4.根據權利要求1所述的用于自由電子激光裝置的渦旋光診斷裝置，其特征在于，所述多孔陣列板的微孔沿著同心圓呈圓心旋轉對稱分布，同心圓的直徑為幾十微米至幾百微米...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李春雷，李賓，馮超，孫昊，劉波，
申請(專利權)人：中國科學院上海高等研究院，
類型：發明
國別省市：
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