CN101587281B - 实现混合螺旋相位光束轨道角动量态解调的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明为实现含有多个轨道角动量态的混合螺旋相位光束的轨道角动量态解调的方法和装置。本发明包括四个50/50分光镜、两个45°全反射镜、两个Dove棱镜、两个衍射光栅、两个凸透镜、两个CCD探测器、两个能量计。本发明能够实现不同角量子数螺旋光的分离，实现光束中各螺旋分量能量的测量，实现光束中包含螺旋分量轨道角动量态的测量。本发明采用两臂带有Dove棱镜的Mach-Zehnder干涉仪分离光束中不同角量子数螺旋分量，采用分光镜和能量计测量光束中各个螺旋分量的能量分布情况，并采用衍射光栅标定分离出的螺旋分量的轨道角动量态。本发明在光轨道角动量信息存储和传输领域有应用价值。

Description

实现混合螺旋相位光束轨道角动量态解调的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种实现含有多个轨道角动量态的混合螺旋相位光束的轨道角动量态解调的方法和装置，属于光电应用技术领域。

背景技术

实现混合螺旋相位光束轨道角动量态解调的装置，能够测量具有单一轨道角动量态分量和多个混合轨道角动量态分量的光束的轨道角动量态，这样的装置在利用光束轨道角动量进行信息存储和传输方面具有重要的应用前景。

光的轨道角动量是描述光波螺旋波前特征的一个物理量。具有

形式相位因子的光束，每个光子携带轨道角动量

(l为轨道角动量量子数)，此类光束中心存在相位奇点，波前呈现周期螺旋性，可将其光场分布按螺旋谐波展开：

光在各个螺旋谐波分量上的能量为：

$C_n=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\left|a_n(r,z)\right|}^2\mathrm{rdr}$

光场中各个螺旋谐波分量上的能量分布，构成了光的轨道角动量谱，也称为螺旋谱。光束轨道角动量可以取(-∞，+∞)区间内的任意值，构成无穷维向量空间，若用光束轨道量特征态来表征信息，则轨道角动量态可以携带无穷大的信息量，这使得利用光的轨道角动量进行信息传输成为一个研究热点。利用光束的轨道角动量进行通信时，数据解调是一个必不可少的组成部分，需要检测出光束中所包含的各个轨道角动量分量。

目前，实现光束轨道角动量检测的方法有多种，如利用机械作用产生扭矩测量、利用二阶强度矩测量、利用旋转多普勒效应测量、利用衍射光栅测量、利用Mach-Zehnder干涉仪测量等等。其中，利用机械作用产生的扭矩测量和利用光束二阶强度矩测量的方法只能测量光场总的轨道角动量；利用旋转多普勒效应的方法难以测量包含多个角量子数螺旋分量的光束的轨道角动量。利用衍射光栅(相位光栅或者振幅光栅)能够实现轨道角动量态的测量，但是，单纯利用衍射光栅只能够测定单个轨道角动量态或者同轴叠加的多个互不相干的轨道角动量态，难以测量同轴叠加的多个相干轨道角动量态，并且很难确定各个轨道角动量态之间的能量分布情况。利用两臂带有Dove棱镜的Mach-Zehnder干涉仪可以分离具有不同角动量数的螺旋光束，但这种装置只能实现具有不同角量子数的螺旋光从Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端口分别输出，而不能确定各输出光的轨道角动量态。

发明内容

本发明的目的是提出一种实现含有多个轨道角动量态的混合螺旋相位光束的轨道角动量态解调的方法和装置。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

本发明的装置包括四个分光镜、两个全反射镜、两个Dove棱镜、两个衍射光栅、两个凸透镜、两个CCD探测器、两个能量计。

所述的分光镜能量分光比均为50/50，用作分光的分光镜分光膜位于分光镜前表面，与入射光成45°角，用作合光的分光镜分光膜位于分光镜后表面，且与起分光作用的分光镜相互平行，另外两个分光镜分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端且互相垂直，其中一片分光镜与起分光作用的分光镜相互平行；所述的全反射镜均为45°全反，其反射面均与起分光作用的分光镜相互平行；所述的两个Dove棱镜分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两臂上且相对旋转过π/n(n＝2，3，4...)的角度，Dove棱镜相对旋转时中心轴与光轴重合；所述的两个衍射光栅分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端，其中心轴与光轴重合；所述的两个凸透镜分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端，且分别与同轴上的衍射光栅呈一倍焦距的距离；所述的两个CCD探测器分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端，且分别与同轴上的凸透镜呈一倍焦距的距离；所述的两个能量计分别位于干涉仪输出端分光镜的反射输出光轴上。

本发明提供的实现含有多个轨道角动量态的混合螺旋相位光束的轨道角动量态解调的方法由三个功能块构成，具体步骤为：

①实现不同角量子数螺旋光的分离，具体步骤为：

Mach-Zehnder干涉仪两臂上的Dove棱镜相对旋转过π/n(n＝2，3，4...)的角度时，对于角量子数为l的螺旋光束将引入2lπ/n的附加相位差，譬如n＝2时角量子数为l的螺旋光束将引入lπ的附加相位差，可实现角量子数为奇数和偶数的螺旋光束从Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端分别输出；

②实现光束中各螺旋分量能量的测量，具体步骤为：

在Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端上，分别插入相同的50/50分光镜并用能量计测量反射能量，即可测得待测光束中螺旋分量的能量分布情况。

③实现光束中包含螺旋分量轨道角动量态的测量，具体步骤为：

在Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端上两个分光镜的透射光分别入射到衍射光栅上，通过观测远场衍射场各衍射级的分布情况可以分别确定两个输出端上输出光的轨道角动量态。

有益效果

采用本发明能够检测混合螺旋相位光束中所包含的各个螺旋分量的轨道角动量态和各个螺旋分量的能量分布情况。

附图说明

图1是本发明的原理图，图中，1-分光镜，2-分光镜，3-分光镜，4-分光镜，5-全反射镜，6-全反射镜，7-Dove棱镜，8-Dove棱镜，9-衍射光栅，10-衍射光栅，11-凸透镜，12-凸透镜，13-CCD探测器，14-CCD探测器，15-能量计，16-能量计。

图2是本发明可采用的替代方案，图中的9-衍射光栅和10-衍射光栅生成的远场衍射场各衍射级能量分布相等。

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，本发明的装置包括分光镜1、2、3、4、全反射镜5、6、Dove棱镜7、8、衍射光栅9、10、凸透镜11、12、CCD探测器13、14、能量计15、16。分光镜1、2、3、4能量分光比为50/50，分光镜1的分光膜位于入射前表面，与入射光成45°角，分光镜2的分光膜位于入射后表面，且与分光镜1相互平行，分光镜3、4分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端且互相垂直，分光镜3与分光镜1相互平行；全反射镜5、6为45°全反，其反射面均与分光镜1相互平行；Dove棱镜7、8分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两臂上且相对旋转过π/n(n＝2，3，4...)的角度，Dove棱镜相对旋转时中心轴与光轴重合；衍射光栅9、10分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端其中心轴与光轴重合；凸透镜11、12分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端，且分别与衍射光栅9、10呈一倍焦距的距离；CCD探测器13、14分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端，且分别与凸透镜11、12呈一倍焦距的距离；能量计15、16分别位于分光镜3、4的反射输出端。具体的实施步骤为：入射光束经分光镜1后分为能量相等的两束光分别进入Mach-Zehnder干涉仪的两臂，由于干涉仪两臂上的Dove棱镜相对旋转过π/n(n＝2，3，4...)的角度，使得干涉仪两臂中的光束引入2lπ/n的附加相位差(l为角量子数)，不同角量子数的螺旋分量从Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端分别输出，在干涉仪两个输出端上的分光镜3、4反射一半输出能量照射到能量计15、16上用于测量螺旋分量能量分布情况，透射能量照射到衍射光栅9、10上用于确定螺旋分量的轨道角动量态，此处若采用各衍射级能量均匀分布的衍射光栅，则可以省去分光镜3、4以及能量计15、16)，如图2所示。

Claims (2)

1.一种实现含有多个轨道角动量态的混合螺旋相位光束的轨道角动量态解调的装置，包括第一半反半透分光镜(1)、第二半反半透分光镜(2)、第三半反半透分光镜(3)、第四半反半透分光镜(4)、第一45°全反射镜(5)、第二45°全反射镜(6)、第一Dove棱镜(7)、第二Dove棱镜(8)、第一衍射光栅(9)、第二衍射光栅(10)、第一凸透镜(11)、第二凸透镜(12)、第一CCD探测器(13)、第二CCD探测器(14)、第一功率计(15)、第二功率计(16)；其特征在于：第一半反半透分光镜(1)、第二半反半透分光镜(2)、第一45°全反射镜(5)和第二45°全反射镜(6)构成一个Mach-Zehnder干涉仪，第一Dove棱镜(7)、第二Dove棱镜(8)分别位于Mach-Zehnder干涉仪的上行臂和下行臂中且相对旋转π/n(n＝2，3，4...)的角度，Dove棱镜相对旋转时中心轴与光轴重合；入射光以45°角入射到第一半反半透分光镜(1)以后被分成功率相等的两束光，其中上行的一束光由第一45°全反射镜(5)反射后入射到第一Dove棱镜(7)上，在透过第一Dove棱镜(7)后入射到第二半反半透分光镜(2)上，并由第二半反半透分光镜(2)反射和透射分成功率相等的两束光；下行的一束光在透过第二Dove棱镜(8)后入射到第二45°全反射镜(6)上，并由其反射后入射到第二半反半透分光镜(2)上，并被反射和透射分成功率相等的两束光；在第二半反半透分光镜(2)处，上行光路的反射光和下行光路的透射光合成一个光路后以45°角入射到第三半反半透分光镜(3)上，其反射光入射到第一功率计(15)上，透射光入射到第一衍射光栅(9)上后经第一凸透镜(11)入射到第一CCD探测器(13)上；在第二半反半透分光镜(2)处，上行光路的透射光和下行光路的反射光合成一个光路后以45°角入射到第四半反半透分光镜(4)上，其反射光入射到第二功率计(16)上，透射光入射到第二衍射光栅(10)上后经第二凸透镜(12)后入射到第二CCD探测器(14)上；本系统中，第三半反半透分光镜(3)、第四半反半透分光镜(4)分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端且互相垂直，第三半反半透分光镜(3)与第一半反半透分光镜(1)相互平行；第一45°全反射镜(5)、第二45°全反射镜(6)的反射面均与第一半反半透分光镜(1)相互平行；第一衍射光栅(9)、第二衍射光栅(10)分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端且其中心轴与光轴重合；第一凸透镜(11)、第二凸透镜(12)分别与第一衍射光栅(9)、第二衍射光栅(10)呈一倍焦距的距离；第一CCD探测器(13)、第二CCD探测器(14)与第一凸透镜(11)、第二凸透镜(12)呈一倍焦距的距离。

2.一种实现含有多个轨道角动量态的混合螺旋相位光束的轨道角动量态解调的方法，其特征在于：

①实现不同角量子数螺旋光的分离，Mach-Zehnder干涉仪两臂上的Dove棱镜相对旋转过π/n，n＝2，3，4...的角度时，对于角量子数为l的螺旋光束将引入2lπ/n的附加相位差，可实现角量子数为奇数和偶数的螺旋光束从Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端分别输出；

②实现光束中各螺旋分量能量的测量，在Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端上，分别插入相同的50∶50分光镜并用能量计测量反射能量，即可测得待测光束中螺旋分量的能量分布情况；

③实现光束中包含螺旋分量轨道角动量态的测量，在Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端上两个分光镜的透射光分别入射到衍射光栅上，通过观测远场衍射场各衍射级的分布情况可以确定两个输出端上输出光束的轨道角动量态。

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