一種測量光束軌道角動量譜的裝置與系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光電技術領域，尤其涉及一種測量光束軌道角動量譜的裝置與系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 角動量是物理學中的一最基本物理量，它可用來描述物體的旋轉(zhuǎn)運動情況。角動 量又可分為自旋角動量與軌道角動量。對于光子來說，自旋角動量宏觀表現(xiàn)為圓偏振態(tài)，而 軌道角動量則表現(xiàn)為光束的螺旋形波前。對于攜帶有軌道角動量的光束，因其具有螺旋型 波前，故會在光束中心存在一相位奇點，即光束的中心沒有光強，其橫截面光強分布表現(xiàn)為 一環(huán)狀。攜帶軌道角動量的光束也稱為渦旋光束。常見的攜帶有軌道角動量的光束有拉蓋 爾高斯光束、貝塞爾光束等。軌道角動量態(tài)的特征值可以是任意非零整數(shù)，即這種特征態(tài)理 論上是無窮多的，因此可構(gòu)成無窮維度的希爾伯特空間。這使得單光子承載無窮多的相互 正交的軌道角動量態(tài)成為可能。因此攜帶有軌道角動量的光束可以拓展光通信信道容量。 軌道角動量態(tài)在旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速測量，量子通信，矢量光束生成等其他研究方向也具有十分重 要的應用價值，因此受到國內(nèi)外學者的持續(xù)關注。
[0003] 對于一束攜帶有軌道角動量的光束，測量并確定其軌道角動量譜，即其所攜帶的 各軌道角動量態(tài)的比重十分重要。國內(nèi)外學者在這一方面做了很多研究，目前主要有相互 級聯(lián)的馬赫增德爾干涉儀法和坐標變換法。相互級聯(lián)的馬赫增德爾干涉儀可以根據(jù)角量子 數(shù)的奇偶性來分離各個軌道角動量態(tài)，然后用功率計依次測得各個單一模式的功率來得到 軌道角動量譜。但是這種方法對于相同奇偶性的軌道角動量態(tài)是無效的，而且這個光路系 統(tǒng)十分龐大，調(diào)節(jié)起來十分復雜。坐標變換法是目前一比較常用的方法，它由兩張相位屏和 一正透鏡組成。當一束光束經(jīng)過這一測量系統(tǒng)時，光束中攜帶不同軌道角動量的光束分量 會衍射到接收屏的不同位置，這時依次測出不同模式的光強大小，即可得到軌道角動量譜。 這種方法相比于馬赫增德爾干涉儀，具有很大的進步。然而，對于相鄰的軌道角動量態(tài)，在 接收屏上兩個光斑會因靠的比較近而不易分辨。同時兩張相位屏也增加了譜測量的復雜程 度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于達曼渦旋光柵遠場衍射光場的灰度值測量光束 軌道角動量譜的裝置與系統(tǒng)。該發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，光路調(diào)節(jié)的復雜度較低，只需一個達曼 渦旋光柵，而無需使用功率計等任何光功率測量器件，通過衍射光斑的灰度值分析相機接 收到的衍射光斑，即可實現(xiàn)軌道角動量譜的測量。本發(fā)明可測量的軌道角動量譜的角量子 數(shù)范圍為-12~+12。當不同的光束入射時，無需重新調(diào)節(jié)光路，可直接讀出軌道角動量譜的 測量結(jié)果。
[0005] 本發(fā)明提供一種基于達曼渦旋光柵遠場衍射光場直接得出軌道角動量譜的系統(tǒng)， 其具備：
[0006] 讀取部，其讀取入射光束通過達曼渦旋光柵的遠場衍射光斑的灰度圖像；
[0007] 第一控制部，其將所述讀取部得到的所述光斑進行編號，從左上至右下分別編號 為+12~-12,并將初始光斑號1設置為13;
[0008] 第二控制部，其將光斑號減1，即將(1-1)賦值給1;
[0009] 判斷部，其判斷光斑號1的大小，若光斑號1大于或等于-12,繼續(xù)判斷光斑號1處光 束中心是否具有實心光斑，若有，則執(zhí)行第一計算部，若沒有，則將灰度值之和G(1)設置為 0，并通過第二控制部進行控制;若光斑號1小于-12，則執(zhí)行第二計算部；
[0010] 第一計算部，其直接讀出中心亮斑的各像素的灰度值，并計算出各像素灰度值之 和G(l)，所述各像素的灰度值之和G(l)用來表示各中心亮斑的光強，在第一計算部執(zhí)行完 成后，返回第二控制部進行控制；
[0011] 第二計算部，通過查詢對應于各光斑號1的各像素灰度值之和G( 1)確定最大值 Gmax，依次計算G(l)/Gmax，分別確定各個歸一化后的對應于光斑號1的灰度值之和G'(l)，并 確定G'(l)與光斑號1(即角量子數(shù)）之間的柱狀圖，從而直接得到入射光束的軌道角動量 譜；
[0012]顯示部，其顯示通過第二計算部得到的軌道角動量譜。
[0013] 本發(fā)明還提供一種測量光束軌道角動量譜的裝置，具備激光器、偏振分光棱鏡、兩 個液晶空間光調(diào)制器、小孔光闌、擴束器、傅里葉透鏡、CCD相機、數(shù)據(jù)傳輸部和主機，其中：
[0014] 所述偏振分光棱鏡置于激光器發(fā)出的激光光路中，用于生成水平線偏振激光；
[0015] 所述兩個液晶空間光調(diào)制器的其中之一置于偏振分光棱鏡后方的激光光路中，用 于將高斯光束轉(zhuǎn)化為攜帶有多種軌道角動量的多路復用渦旋光束；
[0016] 所述小孔光闌置于液晶空間光調(diào)制器的后方的激光光路中，用于濾除雜散光；
[0017] 所述擴束器置于小孔光闌后方的激光光路中，用于對多路復用渦旋光束進行準直 與擴束；
[0018] 所述兩個液晶空間光調(diào)制器的另外一個置于擴束器的后方激光光路中，用于加載 達曼渦旋光柵的全息光柵圖；
[0019] 所述傅里葉透鏡置于擴束器后液晶空間光調(diào)制器的后方的激光光路中，用于實 現(xiàn)光場的傅里葉變換；
[0020] 所述CCD相機置于傅里葉透鏡的后方激光光路中且置于傅里葉透鏡的像方焦平面 處，用于接收變換后的遠場衍射光場；
[0021] 所述數(shù)據(jù)傳輸部與CCD相機相連接，用于傳輸遠場衍射光場的灰度圖像；
[0022] 所述主機，接收來自于數(shù)據(jù)傳輸部傳輸?shù)倪h場衍射光場的灰度圖像，其包括基于 達曼渦旋光柵遠場衍射光場直接得出軌道角動量譜的系統(tǒng)，分析遠場衍射光場的灰度圖 像，進而得到并顯示軌道角動量譜。
[0023] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0024] (1)本發(fā)明基于達曼渦旋光柵遠場衍射光場的灰度值分布，可在無功率測量器件 的情況下測得衍射屏中各光斑的光強比例分布。
[0025] (2)本發(fā)明可十分快速并準確的測量入射光束的軌道角動量譜。
[0026] (3)本發(fā)明提供的測量光束軌道角動量譜的測量裝置，只需一個相位屏即可實現(xiàn) 譜測量，相比于現(xiàn)有技術，其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)節(jié)，簡化器件數(shù)量，節(jié)約成本。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明所使用的達曼渦旋光柵的全息光柵圖。
[0028] 圖2(a)為高斯光束入射到達曼渦旋光柵后的遠場衍射光斑實驗圖，及其可用來探 測的軌道角動量態(tài)(角量子數(shù))與各衍射級的位置對應圖。
[0029]圖2(b)為計算測得的圖2(a)中各衍射級次的能量分布圖。
[0030] 圖3為本發(fā)明的實施方式的構(gòu)成圖。
[0031] 圖4為基于達曼渦旋光柵遠場衍射光場直接得出軌道角動量譜的系統(tǒng)的計算流程 圖。
[0032] 圖5(a)從左至右依次為軌道角動量成分分別為+4階和-4階且比例為1:1的渦旋光 束及其經(jīng)過達曼渦旋光柵后的衍射光斑。
[0033]圖5(b)為使用本發(fā)明提供的計算系統(tǒng)分析圖5(a)所示衍射光斑的相對強度時針 對每一個子光斑的取樣范圍。
[0034]圖5(c)為使用本發(fā)明提供的計算系統(tǒng)在圖5(b)所示的取樣范圍下直接分析圖5 (a)所示的衍射光斑所得到的待測光束的軌道角動量譜與理論分析得到軌道角動量譜的對 比圖。
[0035]圖5(d)為使用本發(fā)明提供的計算系統(tǒng)在圖5