本實用新型屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡及基于該透鏡的高斯光模式轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

無論在經(jīng)典的信息領(lǐng)域，還是在目前正在發(fā)展的量子信息領(lǐng)域，光始終是一種重要的信息載體。在經(jīng)典信息領(lǐng)域，人們利用光的強度、頻率、偏振等進(jìn)行信息編碼；在量子信息領(lǐng)域，最常用的是利用光子的偏振態(tài)進(jìn)行信息編碼。近些年，光子的另外一個物理量——光子軌道角動量越來越多的受到關(guān)注，并被應(yīng)用到量子信息領(lǐng)域，進(jìn)行高維編碼。目前，典型的帶有軌道角動量的光束是拉蓋爾高斯(LG：Laguerre-Gaussian)光束，我們需要可靠的LG模式光產(chǎn)生方法，這對于量子調(diào)控、量子計算、量子通信、量子力學(xué)基本問題的驗證等有著十分重要的意義。

LG模和HG模從數(shù)學(xué)上來看是兩套正交完備的基矢。因而他們可以相互展開，或者說相互轉(zhuǎn)換。在物理上，HG模和LG模可以通過一對柱面相散透鏡完成。兩個柱狀透鏡需要平面相對，共軸放置，且要求平面之間的距離為√2f(f是柱狀透鏡的焦距)。這個柱狀透鏡構(gòu)成的模式轉(zhuǎn)換器是通過像散在水平和豎直的HG模中引入不同的古伊相移來實現(xiàn)將HG之間的疊加系數(shù)調(diào)整為展開系數(shù)從而實現(xiàn)HG模向LG模的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換前后HG模和LG模的關(guān)系為：l＝(m-n),p＝min{m,n}。相比于LG模，HG模能較為容易的從激光器中產(chǎn)生：在激光腔中插入一個可移動的十字線狀物體就可以迫使激光在腔中以高階HG模式諧振。事實上，這個方法得到的LG模式純度非常高，并且轉(zhuǎn)換效率也非常高。損耗來源于轉(zhuǎn)換器擺放位置的誤差和反射光，這對調(diào)節(jié)的要求非常高，所以我們希望設(shè)計一個非常穩(wěn)定的高斯光模式轉(zhuǎn)換器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服上述不足，提供一種柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡及基于該透鏡的高斯光模式轉(zhuǎn)換器，大大簡化了儀器結(jié)構(gòu)，同時使操作相對容易而且有較好的穩(wěn)定性。

為了達(dá)到上述目的，一種柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡，包括長方體透鏡，長方體透鏡的兩個端面上為相互平行的兩個柱狀面。

所述長方體透鏡與兩個柱狀面的總長度為L1，L1＝8.48×n/(n-1)，n為材料的折射率，長方體透鏡的長度為L2，L2＝L1-2.1826。

所述柱狀面的半徑為12mm，長方體透鏡的寬度為20mm，長方體透鏡的高度為10mm。

一種基于柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡的高斯光模式轉(zhuǎn)換器，包括入射光束，入射光束的出射光路上依次設(shè)置有凸透鏡和柱狀模式轉(zhuǎn)換鏡。

所述入射光束、凸透鏡和柱狀模式轉(zhuǎn)換鏡和共軸設(shè)置。

所述凸透鏡和柱狀模式轉(zhuǎn)換鏡為柱狀模式轉(zhuǎn)換器主體。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡有兩個相互平行的柱狀面，可見柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡的原理與一對平行放置的柱狀透鏡相似，當(dāng)一束光場分布斜向45°方向的HG光射入透鏡后，光場在柱狀透鏡內(nèi)垂直傳播方向的兩個方向上將會有不同的相位差。當(dāng)光束穿過柱狀透鏡后，兩方向的相位差恰好可以使HG光轉(zhuǎn)化為LG光。若入射的是LG光的話，同理可知出射光為HG光。

本實用新型的高斯光模式轉(zhuǎn)換器用一個柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡代替柱狀透鏡對，相當(dāng)于間距固定，省去了調(diào)節(jié)間距的步驟，同時整體移動也不會有影響，全部原件都是光學(xué)元件，不需要電源就可以使用，因此不會受電源電壓波動等的影響；另外所有的光學(xué)元件都集成在鏡筒內(nèi)，不易受外力所影響，因此有很好的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本實用新型柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡的主視圖；

圖2為本實用新型柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡的側(cè)視圖；

圖3為本實用新型柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡的俯視圖；

圖4為本實用新型高斯光模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1、入射光束；2、凸透鏡；3、柱狀模式轉(zhuǎn)換鏡；4、柱狀模式轉(zhuǎn)換器主體；5、出射光路；6、長方體透鏡；7、柱狀面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步說明。

參見圖1、圖2和圖3，一種柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡包括長方體透鏡6，長方體透鏡6的兩個端面上為相互平行的兩個柱狀面7，長方體透鏡6與兩個柱狀面7的總長度為L1，L1＝8.48×n/(n-1)，n為材料的折射率，長方體透鏡6的長度為L2，L2＝L1-2.1826。

優(yōu)選的，柱狀面7的半徑為12mm，長方體透鏡4的寬度為20mm，長方體透鏡6的高度為10mm。

參見圖4，一種基于柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡的高斯光模式轉(zhuǎn)換器，包括入射光束1，入射光束1的出射光路5上依次設(shè)置有凸透鏡2和柱狀模式轉(zhuǎn)換鏡3，入射光束1、凸透鏡2和柱狀模式轉(zhuǎn)換鏡3共軸設(shè)置，凸透鏡2和柱狀模式轉(zhuǎn)換鏡3為柱狀模式轉(zhuǎn)換器主體4。

本實用新型的高斯光模式轉(zhuǎn)換器由柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡、鏡筒、調(diào)節(jié)透鏡、架臺、準(zhǔn)直配件等原件組成。主要分為鏡筒和可調(diào)架臺兩個模塊，分別負(fù)責(zé)光束模式轉(zhuǎn)換和調(diào)整鏡筒位置。在使用的時候只要調(diào)整好鏡筒位置和鏡筒前的透鏡位置就可以實現(xiàn)對入射光束模式的轉(zhuǎn)換。由于使用了一體化的柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡替代普通的柱狀透鏡對，因而大大簡化了儀器結(jié)構(gòu)，同時使操作相對容易而且有較好的穩(wěn)定性。

高斯光模式轉(zhuǎn)換器的原理十分簡單，其核心元件是裝在鏡筒中的柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡。過去對于高斯光的模式轉(zhuǎn)換都是通過一對平行布置的平凸柱狀透鏡來實現(xiàn)的，若入射光是厄米-高斯光(HG光)則其在入射到柱狀透鏡上后，在兩個透鏡之間的區(qū)域內(nèi)的兩個方向上將會有不同的形式，因此也會有不同的相位，在光束經(jīng)過透鏡后兩個方向會有一個相位差，只要調(diào)整出合適的相位差就可以將HG光轉(zhuǎn)化為拉蓋爾-高斯光(LG光)，反之亦然。而如果使用設(shè)計一種柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡，其兩面都是柱面，效果相當(dāng)于一對平凸柱狀透鏡，只要透鏡的厚度合適，就可以實現(xiàn)用簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對于高斯光的模式轉(zhuǎn)換。而本人在參考了部分文獻(xiàn)后獨立設(shè)計出了這種符合要求的柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡。

為了實現(xiàn)對光束的模式轉(zhuǎn)換需要入射光的束腰半徑滿足一定的條件，因此需要在柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡前面放置一個凸透鏡來實現(xiàn)對入射光的調(diào)制。而本裝置將凸透鏡也整合了進(jìn)去，這樣的話可以保證凸透鏡與柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡共軸，這樣在調(diào)整的時候只需要調(diào)整凸透鏡與柱狀模式轉(zhuǎn)換透鏡的相對位置，極大地簡化了操作難度。