CN101334315B - 一种测量光束轨道角动量谱的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种实现光束轨道角动量谱测量的方法，属于激光应用技术领域。本发明由待测光源、两个偏振分光棱镜、1/2波片、两个平行平晶、两片1/4波片、全反射镜、直角棱镜、Porro棱镜、π/2相位延迟片和功率探测器组成。本发明采用两个平行平晶和直角棱镜实现光束的分束和合束，保证分束光良好平行性和合束光良好同轴性，并实现两束光完全相同的光程和衰减。本发明采用偏振分光棱镜、全反射镜、Porro棱镜和两个1/4波片实现分束分束得到的两束光的同轴旋转，进而实现光束与其旋转镜像的同轴叠加。通过测量合束光的功率随着Porro棱镜的旋转关系可以分析出入射光束的轨道角动量谱。本发明在激光信息处理领域有应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量光束轨道角动量谱的方法与装置，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，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。光束轨道角动量谱是光束在轨道角动量本征态上的相对能量分量，可以用于分析光束所携带的信息，在信息传输和处理上有着重要的应用前景。
目前光束轨道角动量谱的测量缺乏行之有效的方法和系统。常见的方法有级联马赫-曾德尔干涉仪方法(J.Leach et al，Phys.Rev.Lett.88(25)：257901/1-4(2002))、旋转多普勒方法(M.V.Vasnetsov et al，Opt.Lett.28(23)：2285-2287(2003))和利用轨道角动量谱与旋转算符平均值的共轭关系的方法(R.Zambrini et al，Phys.Rev.Lett.96(11)，113901/1-4(2006))。这三种方法中只有第一种方法用于测量光束的轨道角动量谱。第二种方法和第三种方法由于由于引入连续旋转元件而使得调节的难度极大，目前只有旋转多普勒方法用于毫米波轨道角动量的报道，而没有用于光波段的测量报道。综合这三种方法可以看出：1)光束的旋转都是采用道威棱镜实现的；2)光束的同轴叠加比较困难，尤其是在旋转道威棱镜的时候；3)旋转道威棱镜的时候两路光束的光程不相等而导致调节困难。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够方便实现测量光束轨道角动量谱的方法。
本发明的目的是由下述技术方案实现的：
本发明提供的轨道角动量谱测量的方法分为三个步骤实现：
①产生两束平行光束并实现这两束光的同轴叠加
具体步骤为：从待测光源输出的光束经第一偏振分光棱镜和1/2波片后变换成偏振方向垂直于参考平面的光束，此光束经过第一平行平晶的前后表面的反射形成两束平行光，经过直角棱镜的反射后这两束光沿着相反的方向同轴传输，再经过与第二平行平晶的前后表面的反射合束，实现这两束光的同轴叠加，见图2。
②实现两束光向相反的方向同轴旋转
具体步骤为：经过第一平行平晶的前后表面反射的两束光中的一束直接照射到偏振分光棱镜，由于其偏振方向垂直于参考平面则被反射后再经1/4波片入射到Porro棱镜上，另一束经直角棱镜反射后也因相同的原因被偏振分光棱镜反射到全反射镜上，由于1/4波片的作用再次入射到偏振分光棱镜上，由于偏振方向变成平行于参考平面而透射入照射到Porro棱镜上，照射到Porro棱镜上的两束光同轴但是互为反转镜像，Porro棱镜的旋转将使得这两个反转镜像光束向相同方向旋转，在经过第二平行平晶合束后这两束光为同轴但互为镜像，Porro棱镜对反转镜像的同向旋转将会导致互为镜像的光束的反向旋转，便实现了两束光向相反的方向同轴旋转，见图3。
③数据处理得到轨道角动量谱
具体步骤为：分别改变相位延迟片(11)产生的相位延迟为0(去掉相位延迟片即可)、π/2、π和3π/2，旋转Porro棱镜(7)，并通过功率探测器测量合束光的功率，得到测得的功率和Porro棱镜的旋转角度的4倍值θ之间的关系P0(θ)、Pπ/2(θ)、Pπ(θ)和P3π/2(θ)，然后经过计算得到函数M(θ)＝(P0(θ)-Pπ/2(θ))+i(Pπ(θ)-P3π/2(θ))，就函数M(θ)对变量θ作傅立叶变换再归一化即可得到光束的轨道角动量谱。
本发明的装置包括待测光源(1)、第一偏振分光棱镜(2)、1/2波片(3)、第一平行平晶(4)、第二偏振分光棱镜(5)、第一1/4波片(6)、Porro棱镜(7)、第二1/4波片(8)、全反射镜(9)、直角棱镜(10)、相位延迟片(11)、第二平行平晶(12)和功率探测器(13)。
所述的待测光源(1)输出的光束需要经过准直系统准直；所述的第一偏振分光棱镜(2)的起偏方向位于参考平面上；所述的1/2波片(3)快轴方向与第一偏振分光棱镜(2)的起偏方向呈π/4的夹角；所述的第一平行平晶(4)和第二平行平晶(12)平行放置且厚度和表面物理参数完全一样，并垂直于参考平面；所述的直角棱镜(10)的两个反射面所夹直角棱与参考平面垂直；所述的第二偏振分光棱镜(5)垂直于入射光炳使得反射光和透射光垂直；所述的第一1/4波片(6)和第二1/4波片(8)的快轴方向和参考平面呈π/4的夹角；所述的Porro棱镜(7)放置于入射光束照射到两个反射面所夹直角棱上；所述的相位延迟片(11)可以实现相位延迟π/2、π和3π/2。
本发明的有益效果：
①良好的光学元件的精度方便地实现光束的分束和合束，且保证分束光的良好平行性和合束光的良好同轴性，减小对人为调节的精度的依赖。
②采用Porro棱镜这一反射式元件对光束进行旋转，并结合分束系统实现两个反转镜像光束向相同方向旋转，进而实现互为镜像的光束的反向旋转。
③从分束前到合束后的整个过程中两束光经过除相位延迟片引入的相位差外所有的相位和幅度变化都相同，光程差也相同，使得在旋转Porro棱镜的时候两路光的光程不变，而且系统对环境的振动有很好的抵抗力，这也使得调节也更加方便。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明中分束和合束系统的示意图；
图3是本发明中光束同轴旋转系统示意图；
图中，1-待测光源，2-第一偏振分光棱镜，3-1/2波片，4-第一平行平晶，5-第二偏振分光棱镜，6-第一1/4波片，7-Porro棱镜，8-第二1/4波片，9-全反射镜，10-直角棱镜，11-相位延迟片，12-第二平行平晶，13-功率探测器。
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，本发明装置由产生两束平行光束并实现这两束光的同轴叠加的装置(如图2所示)和实现两束光向相反的方向同轴旋转的装置(如图3所示)两个部分构成。
本发明的装置包括待测光源1、第一偏振分光棱镜2、1/2波片3、第一平行平晶4、第二偏振分光棱镜5、第一1/4波片6、Porro棱镜7、第二1/4波片8、全反射镜9、直角棱镜10、相位延迟片11、第二平行平晶12和功率探测器13。待测光源1输出的光束需要经过准直系统准直；第一偏振分光棱镜2的起偏方向位于参考平面上；1/2波片3快轴方向与第一偏振分光棱镜2的起偏方向呈π/4的夹角；第一平行平晶4和第二平行平晶12平行放置且厚度和表面物理参数完全一样，并垂直于参考平面；直角棱镜10的两个反射面所夹直角棱与参考平面垂直；第二偏振分光棱镜5垂直于入射光炳使得反射光和透射光垂直；第一1/4波片6和第二1/4波片8的快轴方向和参考平面呈π/4的夹角；Porro棱镜7放置于入射光束照射到两个反射面所夹直角棱上；相位延迟片11可以实现相位延迟π/2、π和3π/2，测量不同相位延迟时的叠加光束功率，再进行数值处理即可得到光束的轨道角动量谱。
Claims (2)
1.一种测量光束轨道角动量谱的方法，其特征在于：
①产生两束平行光束并实现这两束光的同轴叠加
具体步骤为：从待测光源(1)输出的光束经过第一偏振分光棱镜(2)和1/2波片(3)后变换成偏振方向垂直于参考平面的光束，此光束经过第一平行平晶(4)的前后表面的反射形成两束平行光，经过直角棱镜(10)的反射后这两束光沿着相反的方向同轴传输，再经过与第二平行平晶(12)的前后表面的反射合束，实现这两束光的同轴叠加；
②实现两束光向相反的方向同轴旋转
具体步骤为：经过第一平行平晶(4)的前后表面反射的两束光中的一束直接照射到第二偏振分光棱镜(5)，由于其偏振方向垂直于参考平面则被反射后再经第一1/4波片(6)入射到Porro棱镜(7)上，另一束经直角棱镜反射后也因相同的原因被第二偏振分光棱镜(5)反射到全反射镜(9)上，由于第二1/4波片(8)的作用再次入射到第二偏振分光棱镜(5)上，由于偏振方向变成平行于参考平面而透射入第二偏振分光棱镜(5)并照射到Porro棱镜(7)上，照射到Porro棱镜(7)上的两束光同轴但是互为反转镜像，Porro棱镜(7)的旋转将使得这两个反转镜像光束向相同方向旋转，在经过第二平行平晶(12)合束后这两束光为同轴但互为镜像，Porro棱镜(7)对反转镜像的同向旋转将会导致互为镜像的光束的反向旋转，便实现了两束光向相反的方向同轴旋转；
③数据处理得到轨道角动量谱
具体步骤为：分别改变相位延迟片(11)产生的相位延迟为0、π/2、π和3π/2，旋转Porro棱镜(7)，并通过功率探测器测量合束光的功率，得到测得的功率和Porro棱镜的旋转角度的4倍值θ之间的关系P0(θ)、Pπ/2(θ)、Pπ(θ)和P3π/2(θ)，然后经过计算得到函数M(θ)＝(P0(θ)-Pπ/2(θ))+i(Pπ(θ)-P3π/2(θ))，就函数M(θ)对变量θ作傅立叶变换再归一化即可得到光束的轨道角动量谱。
2.一种测量光束轨道角动量谱的装置，由产生两束平行光束并实现这两束光的同轴叠加的装置和实现两束光向相反的方向同轴旋转的装置两个部分构成，其特征在于：包括待测光源(1)、第一偏振分光棱镜(2)和第二偏振分光棱镜(5)、1/2波片(3)、第一平行平晶(4)和第二平行平晶(12)、第一1/4波片(6)和第二1/4波片(8)、Porro棱镜(7)、全反射镜(9)、直角棱镜(10)、相位延迟片(11)和功率探测器(13)；待测光源(1)输出的光束需要经过准直系统准直，之后依次传输经过第一偏振分光棱镜(2)、1/2波片(3)、第一平行平晶(4)，其中经第一平行平晶(4)前表面反射的光依次传输经过直角棱镜(10)、第二偏振分光棱镜(5)、第二1/4波片(8)、全反射镜(9)、第二1/4波片(8)、第二偏振分光棱镜(5)、第一1/4波片(6)、Porro棱镜(7)、第一1/4波片(6)、第二偏振分光棱镜(5)、第一平行平晶(4)、第二平行平晶(12)，经第一平行平晶(4)后表面反射的光依次传输经过第二偏振分光棱镜(5)、第一1/4波片(6)、Porro棱镜(7)、第一1/4波片(6)、第二偏振分光棱镜(5)、第二1/4波片(8)、全反射镜(9)、第二1/4波片(8)、第二偏振分光棱镜(5)、直角棱镜(10)、第一平行平晶(4)、相位延迟片(11)、第二平行平晶(12)，最终经第一平行平晶(4)前后表面反射的光经第二平行平晶(12)后合为一束进入功率探测器(13)；第一偏振分光棱镜(2)的起偏方向位于参考平面上；1/2波片(3)快轴方向与第一偏振分光棱镜(2)的起偏方向呈π/4的夹角；第一平行平晶(4)和第二平行平晶(12)平行放置且厚度和表面物理参数完全一样，并垂直于参考平面；直角棱镜(10)的两个反射面所夹直角棱与参考平面垂直；第二偏振分光棱镜(5)垂直于入射光并使得反射光和透射光垂直；第一1/4波片(6)和第二1/4波片(8)的快轴方向和参考平面呈π/4的夹角；Porro棱镜(7)放置于入射光束照射到Porro棱镜(7)的两个反射面所夹直角棱上；相位延迟片(11)可以实现相位延迟π/2、π和3π/2。
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