CN101251655B - 一种实现光束轨道角动量态叠加和调制的装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种实现光束轨道角动量态叠加和调制的装置，属于激光应用技术领域。本发明由激光器、起偏器、1/4波片、衍射光栅、傅立叶透镜、偏振分光棱镜、两个道威棱镜、三个全反射镜、针孔光阑组成。本发明首先采用以衍射光栅和傅立叶透镜为核心元件的光学系统产生等距分布在以入射光的光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束，然后采用偏振分光棱镜、反射镜和可旋转的道威棱镜组成的光学系统将光场分解成向相反方向旋转的场分量，然后再将其叠加，得到所需要的轨道角动量态的叠加，进而实现轨道角动量态的叠加调制。本发明在自由空间光通信领域有应用价值。

Description

一种实现光束轨道角动量态叠加和调制的装置

技术领域

本发明涉及一种实现光束轨道角动量态叠加和调制的方法和装置，属于激光应用技术领域。

背景技术

光束的轨道角动量有两种：由于光束的偏振特性产生的角动量和由于光束的螺旋形相位结构而产生的角动量。由光束的偏振特性引起的光束角动量早已为人们所认识，例如使圆偏振光通过一个用石英光线悬挂的半波片，可观察到由于光束的圆偏振特性引起的角动量，并通过精确测量光纤的扭矩可测量由偏振引起的角动量。而光束的轨道角动量只是近年来才被人们所认识，研究表明当光束含有角向相关的位相分布时(也称扭转相位或螺旋相位)，此类光束具有与角向位相分布相关的角动量(被称为轨道角动量)。轨道角动量的一个重要的性质是其特殊的量子性质。研究表明轨道角动量量子算符为

，其本征波函数为螺旋谐波函数，用数学公式表示为

，其中

是角向坐标，l为轨道角动量量子数(取整数值)。特别地，拉盖尔-高斯光束和贝塞尔光束具有含有这样的简单的相位结构，其轨道角动量为

。研究表明所有这些螺旋谐波函数描述的轨道角动量态的数目是无穷的，用轨道角动量量子数描述，从理论上来说，一个轨道角动量态符号可以携带无穷大的信息容量，这构成应用轨道角动量的量子性质进行高密度自由空间光通信的理论基础，这使得光束的轨道角动量在高密度信息存储和传输领域有着重要的应用价值。

近年来，一些工作致力于寻找可行的实现轨道角动量的叠加的方法。发表在《物理新杂志》2004年第6卷第131期(Z.Bouchal and R.Celechovsky，″Mixedvortex states of light as information carriers，″New J Phys 6(131)，1-15(2004))上的文章设计了一个相位调制光栅和一个幅度调制光栅以实现无衍射螺旋光的叠加，无衍射的螺旋光的叠加光在空间传输的时候具有较好的自修正特性，但是实现相位光栅和幅度调制光栅需要用到空间光调制器，但是控制信号的设计比较复杂，而且价格昂贵；发表在《现代光学杂志》2004年第51卷第2期上的文章(S.N.Khonina，V.V.Kotlyar，V.A.Soifer，K.Jefimovs，and J.Turunen，″Generation and selection of laser beams represented by a superposition of twoangular harmonics，″J Mod Opt 51(2)，761-773(2004))设计二元相位光栅实现24种不同的双螺旋光叠加，这种方法在空间的不同方向上用衍射的方法直接产生两束处于不同轨道角动量态的光束的叠加，但是衍射元件的加工复杂昂贵，且不能实现动态调制；发表在《光学学报》2005年第30卷第24期上的文章(J.Lin，X.-C.Yuan，S.H.Tao，and R.E.Burge，″Collinear superposition of multiple helicalbeams generated by a single azimuthally modulated phase-only element，″Opt Lett30(24)，3266-3268(2005))也提出了一个生成纯相位光栅的算法，以产生两个以上的螺旋光的叠加，这种方法用空间光调制器实现，但是仍然存在上述的问题。因此我们设计了一种简单可行而且价格便宜的装置实现了轨道角动量态的叠加和调制。在发明装置中用到的复合的二元振幅型光栅和在检验发明装置中采用的二元振幅型光栅的制作原理可以参见发表在《中国物理B辑》2008年第5卷第2期上的论文《产生拉盖尔一高斯光束的全息光栅衍射的研究》(Y.-D.Liu，C.Gao，and M.Gao，″Study on Holographic Grating Diffraction for Laguerre-GaussianBeam Generation，″Acta Phys Sin 5(2)，1-12(2008))。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够实现轨道角动量量子数不同的两个轨道角动量态的叠加和调制的方法及其装置。

本发明的目的是有下述技术方案实现的：

本发明的装置包括激光器(1)、起偏器(2)、衍射光栅(4)、1/4波片(3)、付立叶透镜(5)、偏振分光棱镜(6)、三个反射镜(8)(9)(10)、两个道威棱镜(7)(11)和针孔光阑(12)。

所述激光器(1)输出的光束为高斯光束，并经过准直系统准直；所述的1/4波片(3)快轴方向与起偏器(2)的起偏方向呈π/4的夹角；所述的衍射光栅(4)，放置于傅立叶透镜(5)的前焦面上；所述衍射光栅(4)为复合的二元振幅型光栅，光栅周期小于入射光束的束腰半径的

倍(L是可以生成的最大的轨道角动量量子数)。

所述衍射光栅(4)，可以是复合的二元振幅型衍射光栅，也可以是其它类型光栅，只要在傅立叶透镜(5)后焦面上形成等距分布在以入射光的光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束。

本发明提供的轨道角动量态的叠加和调制的方法分为两个步骤实现：

①产生等距分布在以入射光的光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束。

具体步骤为：从激光器输出的高斯光束经过起偏器和1/4波片生成圆偏振的光束，此光束被衍射光栅衍射后通过傅立叶透镜，在其后焦面上形成处于不同轨道角动量态的光束，它们等距分布于以光轴为中心的圆上。

②采用偏振分光棱镜、反射镜和可旋转的道威棱镜组成的光学系统将光场分解成向相反方向旋转的场分量，然后再将其叠加，得到所需要的轨道角动量态的叠加。

具体步骤为：经过傅立叶透镜的衍射场经偏振分光棱镜分解成偏振方向垂直和平行于光路平面的两个光束分量，垂直分量沿着第三反射镜、第二反射镜、第一反射镜和第一道威棱镜的方向传输，平行分量沿着第一道威棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜的方向传输，两个分量经过偏振分光棱镜合成一束光，由于第一道威棱镜的作用，两个分量的光束绕光轴向相反方向旋转，傅立叶透镜后焦面上相应的两组光斑绕着光轴向相反方向发生旋转，通过调节第一道威棱镜和第二道威棱镜的旋转位置，可以使处于特定轨道角动量态的光束与小孔光阑的小孔同轴而被滤出。

本发明的有益效果：

①可以生成多个以光轴为中心呈旋转并等距对称分布的处于不同轨道角量子数的轨道角动量态的光束，光束的数量决定于衍射光栅的设计。

②衍射光栅是静止光栅，动态的调制与衍射光栅无关，由旋转的道威棱镜实现。

③利用偏振态实现两束处于不同轨道角动量态的光束的叠加。

④两路光的光程相等，有利于处于叠加态光束的长距离传输。

附图说明

图_1是本发明的原理图；

图2是本发明中产生多个以光轴为中心旋转对称并等距分布的处于不同轨道角量子数的轨道角动量态的多束光束的示意图；

图3是本发明中采用的检测装置示意图；

图4是实验中衍射光栅的实物照片；

图5是实验中在针孔光阑前测得的光斑图样；

图6是实验检测得到的衍射场强度分布图样；

图中，1-激光器，2-起偏器，3-1/4波片，4-衍射光栅，5-傅立叶透镜，6-偏振分光棱镜，7-第一道威棱镜，8-第一反射镜，9-第二反射镜，10-第三反射镜，11-第二道威棱镜，12-针孔光阑，13-扩束系统，14-光栅，15-凸透镜，16-CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，本发明装置由产生等距分布在以入射光的光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束的装置和插入傅立叶透镜与透镜后焦面之间的环路和两个道威棱镜组成的装置两个部分构成。本发明的装置包括激光器(1)、起偏器(2)、衍射光栅(4)、1/4波片(3)、付立叶透镜(5)、偏振分光棱镜(6)、三个反射镜(8)(9)(10)、两个道威棱镜(7)(11)和针孔光阑(12)。激光器(1)输出的光束为高斯光束，并经过准直系统准直；1/4波片(3)快轴方向与起偏器(2)的起偏方向呈π/4的夹角；衍射光栅(4)，放置于傅立叶透镜(5)的前焦面上；衍射光栅(4)为复合的二元振幅型光栅，光栅周期小于入射光束的束腰半径的

倍(L是可以生成的最大的轨道角动量量子数)。衍射光栅(4)，可以是复合的二元振幅型衍射光栅，也可以是其它类型光栅，只要使得在傅立叶透镜(5)后焦面上形成处于不同轨道角动量态的光束等距分布于以光轴为中心的圆上。

如图3所示，为了验证原理的正确性，采用扩束系统(13)、与衍射光栅(4)完全一样的光栅(14)、透镜(15)以及CCD相机(16)组成的检测系统。

本发明的激光器(1)用以产生高斯光束。高斯光束经过起偏器(2)和与其成π/4角度的1/4波片(3)得到圆偏振高斯光束，如图2所示。圆偏振高斯光束入射到衍射光栅(4)上所得的光场分布将会在傅立叶透镜(5)的后焦面(12)上出现以光轴为中心旋转对称并等距分布的处于不同轨道角量子数的轨道角动量态的多束光束，如图2所示。在傅立叶透镜(5)与后焦面(12)之间插入由偏振分光棱镜(6)、第一道威棱镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、第三反射镜(10)、第二道威棱镜(11)以及针孔光阑。衍射光栅(4)实物如图4所示。一般情况下付立叶变换透镜(5)的后焦面上的衍射光斑如图5所示。图5中用实心方块和实心圆点分别表示两个偏振光场的衍射光斑，其中每一个圆环为处于某一轨道角动量态的光束的光斑。调节第一道威棱镜(7)和第二道威棱镜(11)绕光轴的旋转角度，使两个处于特定轨道角量子数的轨道角动量态的光束从针孔光阑出射。

检测装置则是在针孔光阑(12)后加一个扩束系统(13)，使光束的束腰半径满足上述的光栅周期需要小于入射光束的束腰半径的倍的条件，再照射到光栅(14)上，再经过凸透镜(15)，在透镜的后焦面上放置CCD相机(16)。这里光栅(14)不需要一定在透镜(15)的前焦面上。可以根据CCD相机(16)采集图片中对应于图3中远场衍射图样的由数字±1和±2标志的四个位置的中心亮暗与否判定叠加光束所处的轨道角动量态。图6给出6种由两两不同的轨道角动量态叠加后的衍射光斑，衍射图样的这四个位置中有两个位置中心是亮斑，数字指示对应的轨道角动量态的轨道角动量量子数。特别地，如果两束光的轨道角动量态一样，则在衍射图样的这四个位置中只有一个位置中心是亮斑。因此本发明可以实现两束处于四个不同轨道角动量态的光束的10种不同的叠加形式。若采用其它形式的衍射光栅可以产生更多的等距分布在以入射光的光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束，则可以实现更多的不同的轨道角动量态的叠加。

Claims (3)

1.一种实现光束轨道角动量态叠加和调制的装置，其特征在于：包括激光器(1)、起偏器(2)、1/4波片(3)、衍射光栅(4)、傅立叶透镜(5)、偏振分光棱镜(6)、三个反射镜(8)(9)(10)、两个道威棱镜(7)(11)和针孔光阑(12)；激光器(1)输出的光束为高斯光束，该光束垂直入射透过起偏器(2)和1/4波片(3)，1/4波片(3)的快轴方向与起偏器(2)的起偏方向呈π/4的夹角放置；之后光束垂直入射到放置于傅立叶透镜(5)的前焦面上的衍射光栅(4)上，经过傅立叶透镜(5)的衍射场经偏振分光棱镜(6)分解成偏振方向垂直和平行于光路平面的两个光束分量，垂直分量沿着第三反射镜(10)、第二反射镜(9)、第一反射镜(8)和第一道威棱镜(7)的方向传输，平行分量沿着第一道威棱镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、第三反射镜(10)的方向传输，两个分量经过偏振分光棱镜合成一束光；之后透过第二道威棱镜(11)和针孔光阑(12)，且针孔光阑(12)放置在傅立叶变换透镜(5)的后焦面上。

2.如权利要求1所述的一种实现光束轨道角动量态叠加和调制的装置，其特征在于：其中的衍射光栅(4)为复合的二元振幅型光栅，光栅周期小于入射光束的束腰半径的倍，L是生成的最大的轨道角动量量子数；要求在傅立叶透镜(5)后焦面上形成等距分布在以入射光的光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束。

3.一种实现光束轨道角动量态叠加和调制的方法，其特征在于：

①产生等距分布于以入射光的光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束，具体步骤为：从激光器(1)输出的光束经过起偏器(2)和1/4波片(3)生成圆偏振的光束，此光束被衍射光栅(4)衍射后通过傅立叶透镜(5)，在其后焦面上形成等距分布在以入射光的光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束

②采用偏振分光棱镜、反射镜和可旋转的道威棱镜组成的光学系统将光场分解成向相反方向旋转的场分量，然后再将其叠加，得到所需要的轨道角动量态的叠加，具体步骤为：经过傅立叶透镜(5)的衍射光场经偏振分光棱镜(6)分解成偏振方向垂直和平行于光路平面的两个光束分量，垂直分量沿着第三反射镜(10)、第二反射镜(9)、第一反射镜(8)和第一道威棱镜(7)的方向传输，平行分量沿着第一道威棱镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、第三反射镜(10)的方向传输，两个分量经过偏振分光棱镜合成一束光，由于第一道威棱镜(7)的作用，两个分量的光束绕光轴向相反方向旋转，傅立叶透镜(5)后焦面上相应的两组光斑绕着光轴向相反方向发生旋转，通过调节第一道威棱镜(7)和第二道威棱镜(11)的旋转位置，可以使处于特定轨道角动量态的光束与小孔光阑(12)的小孔同轴而被滤出。

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