CN105136289B - 一种用于探测多路复用涡旋光束的复合光栅及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的复合光栅以及使用该光栅探测多路复用涡旋光束的轨道角动量态的方法与装置。当涡旋光束照射到该复合光栅上时，通过观察远场衍射图案中高斯光束出现的位置即可得到涡旋光束的轨道角动量态。所述复合光栅的轨道角动量态的测量范围为‑24～+24，该范围可满足大部分情况下多路复用涡旋光束的探测。使用该复合光栅可迅速探测出多路复用涡旋光束的各轨道角动量成分，且当不同的复用涡旋光束入射时，光路无需重新调整，操作极为简便。这对未来光通信、光镊技术、量子通信等研究方面具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种用于测量多路复用涡旋光束的复合光栅及测量方法。
背景技术
涡旋光束是一种新型的光束，与一般高斯光束相比，其具有连续螺旋形波前。在光束中心由于相位不确定，存在相位奇点，因此其横截面光强分布表现为一中空的环形。常见的涡旋光束是拉盖尔高斯光束和贝塞尔光束。涡旋光束的螺旋形波前是光束轨道角动量算符的特征态，而轨道角动量态的特征值可以是任意非零整数，即这种特征态理论上是无穷多的，因此可构成无穷维度的希尔伯特空间。这样可用单光子承载无穷多的相互正交的轨道角动量态，可大大拓展光通信的信道容量。同时，涡旋光束在光镊技术、量子通信、旋转体转速的测量等诸多领域具有十分重要的应用价值，这使其逐渐成为学术界的热门研究课题。
目前常见的涡旋光束的探测方法，主要有柱面镜法、干涉法以及衍射光栅法等。其中衍射光栅法由于操作简单，是目前最常使用的方法。常见的衍射光栅有单缝、三角孔、叉状光栅、达曼涡旋光栅等，但这些光栅仍然不能满足涡旋光束的探测需求。首先，三角孔、单缝等只能探测单一的涡旋光束，对于多路复用的涡旋光束是无法探测的；其次，叉状光栅、达曼涡旋光栅等可探测多路复用的涡旋光束，但其轨道角动量态的探测范围分别为-4～+4和-12～+12，若要探测更高阶次的涡旋光束，对于叉状光栅需要增加叉指数，这无疑增加了制作的难度；对于达曼涡旋光栅来说，则需要制作7×7阵列的达曼光栅，但阵列 中不同模式的相互叠加干涉以及空间光调制器的分别率问题限制了它的实际使用。因此，人们需要一新型的衍射光栅来探测多路涡旋光束，要求其既制作、使用方便，又能有效的扩大其轨道角动量态的测量范围。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种新型的复合光栅，其既制作、使用方便，且可将多路复用涡旋光束轨道角动量态的探测范围拓展至-24～+24。使用时，只需将本发明提供的复合光栅分别加载在探测系统中的两个空间光调制器上，当多路复用涡旋光束入射时，通过观察两个CCD相机上得到的远场衍射图案即可确定入射涡旋光束的轨道角动量态。当不同的复用涡旋光束入射时，无需重新调节光路，可直接读出测量结果。
本发明的一种用于测量多路复用涡旋光束的复合光栅，由一5×5达曼涡旋光栅分别与+12阶和-12阶螺旋相位片的全息光栅叠加而成。
本发明的一种测量多路复用涡旋光束的方法，首先将本发明提供的复合光栅分别加载在探测系统中的两个液晶空间光调制器上，然后将待测涡旋光束入射到探测系统中，通过读取探测系统中两个CCD相机得到的远场衍射图案即可快速得到待测多路复用涡旋光束的轨道角动量成分。
本发明的一种测量多路复用涡旋光束的装置，包括激光器、偏振分光棱镜、三个液晶空间光调制器、小孔光阑、扩束器、分光棱镜、全反镜、两个傅里叶透镜和两个CCD相机，其中：
所述偏振分光棱镜置于激光器发出的激光光路中，用于生成水平线偏振激光；
所述三个液晶空间光调制器的其中之一置于偏振分光棱镜后方的激光光路 中，用于将高斯光束转化为携带有多种轨道角动量的多路复用涡旋光束；
所述小孔光阑置于液晶空间光调制器的后方的激光光路中，用于滤除杂散光；
所述扩束器置于小孔光阑后方的激光光路中，用于对多路复用涡旋光束进行准直与扩束；
所述分光棱镜置于扩束器后方的激光光路中，用于将入射涡旋光束分成等强度的两束涡旋光束，两束光分别以反射和透射形式出射；
所述全反镜置于分光棱镜的反射光路中，用于增加一次反射次数，使反射光路中的涡旋光束的轨道角动量态与透射光路和待测涡旋光束保持一致；
所述三个液晶空间光调制器中的另外两个分别置于分光棱镜的透射光路和全反镜后方的激光光路中，用于分别加载两个复合光栅；
所述两个傅里叶透镜分别置于分光棱镜的透射光路和反射光路中的液晶空间光调制器的后方激光光路中，用于实现光场的傅里叶变换；
所述两个CCD相机分别置于两个傅里叶透镜后方的激光光路中且置于像方焦平面处，用于接收变换后的衍射光场。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明可十分快速并准确的确定入射多路复用涡旋光束的轨道角动量态。
(2)本发明提供的用于测量多路复用涡旋光束的复合光栅及测量装置，其将轨道角动量态的测量范围拓展至-24～+24，相比现有多路复用涡旋光束探测技术具有很大的进步。
附图说明
图1为本发明的可探测多路复用涡旋光束的复合光栅的示意图。
图2为本发明的可探测多路复用涡旋光束的复合光栅的生成过程示意图。
图3(a)为高斯光束入射到图1所示左侧复合光栅时的远场衍射仿真图样与相应的轨道角动量态分布图。
图3(b)为高斯光束入射到图1所示右侧复合光栅时的远场衍射仿真图样与相应的轨道角动量态分布图。
图4为对于图3的实验结果图。
图5中从左至右分别为角量子数为-9的涡旋光束的光强分布与其入射到本发明提供的探测系统后，两个CCD相机分别接收到的实验图案。
图6中从左至右分别为角量子数为+20的涡旋光束的光强分布与其入射到本发明提供的探测系统后，两个CCD相机分别接收到的实验图案。
图7中从左至右分别为角量子数为-12和+8的两路复用涡旋光束的光强分布与其入射到本发明提供的探测系统后，两个CCD相机分别接收到的实验图案。
图8为基于本发明提供的复合光栅探测多路复用涡旋光束的探测装置示意图。图中，1-激光器，2-偏振分光棱镜，3-液晶空间光调制器，4-小孔光阑，5-扩束器，6-分光棱镜，7-液晶空间光调制器，8-傅里叶透镜，9-CCD相机，10-全反镜，11-液晶空间光调制器，12-傅里叶透镜，13-CCD相机。
具体实施方式
下面结合附图并实施例，对本发明做一详细描述。
本发明的一种用于探测多路复用涡旋光束的复合光栅，如图1所示，其由两部分组成。第一部分由5×5达曼涡旋光栅叠加+12阶螺旋相位片的全息光栅图得到，第二部分由5×5达曼涡旋光栅叠加-12阶螺旋相位片的全息光栅图得到， 其生成过程如图2所示。
当高斯光束分别照射到本发明所示的两个复合光栅中时，根据标量衍射理论可算得其远场衍射光斑。图3(a)为高斯光束入射到图1左侧光栅时的远场衍射仿真图样与其轨道角动量分布情况，远场衍射各光斑的角量子数从左上到右下依次为0～+24。图3(b)为高斯光束入射到图1右侧光栅时的远场衍射仿真图样与其轨道角动量分布情况，远场衍射光斑的角量子数从左上到右下依次为-24～0。图4为图3的实验结果。当涡旋光束入射到本发明提供的复合光栅上时，其远场衍射中位置a处的光斑相位可表示为：
式中，l(a)表示高斯光束入射时远场衍射中位置a处的角量子数，可取值为-24～+24闭区间中的任意整数。当l(a)＝-l0时，Φ(a)＝1，此时远场衍射在位置a处的光斑的环状结构就会消失，因此待测涡旋光束的角量子数l0即为l(a)的相反数。当多路复用涡旋光束入射时，在两张远场衍射屏上不同位置就会出现多个实心光斑，因此通过观察两站远场衍射屏就会快速确定待测涡旋光束的轨道角动量态。
图5和图6分别为-9阶和+20阶单一模式涡旋光束入射到本发明提出的复合光栅时的实验结果。从左至右分别为入射的涡旋光束、图1左侧复合光栅的远场衍射图样和图1右侧复合光栅的远场衍射图样。从图中可以很明显的看到在+9的位置和-20的位置出现实心光斑，因此我们可快速确定原入射的单一模式涡旋光束的角量子数分别为-9和+20。
图7给出了两路复用涡旋光束入射到本发明提出的复合光栅时的实验结果。从左至右分别为入射的涡旋光束、图1左侧复合光栅的远场衍射图样和图1右 侧复合光栅的远场衍射图样。从图7中可以看出，在+12和-8的位置同时出现了实心光斑，因此我们可快速确定入射光束为-12阶和+8阶涡旋光束复用后的光束。
基于上述可探测多路复用涡旋光束的复合光栅，本发明还提供了一种测量多路复用涡旋光束的装置。它包括激光器、偏振分光棱镜、三个液晶空间光调制器、小孔光阑、扩束器、分光棱镜、全反镜、两个傅里叶透镜和两个CCD相机，如图8所示。其中：
偏振分光棱镜置于激光器发出的激光光路中，用于生成水平线偏振激光；三个液晶空间光调制器的其中之一置于偏振分光棱镜后方的激光光路中，用于将高斯光束转化为携带有多种轨道角动量的多路复用涡旋光束；小孔光阑置于液晶空间光调制器的后方的激光光路中，用于滤除杂散光；扩束器置于小孔光阑后方的激光光路中，用于对多路复用涡旋光束进行准直与扩束；分光棱镜置于扩束器后方的激光光路中，用于将入射涡旋光束分成等强度的两束涡旋光束，两束光分别以反射和透射形式出射；全反镜置于分光棱镜的反射光路中，用于增加一次反射次数，使反射光路中的涡旋光束的轨道角动量态与透射光路和待测涡旋光束保持一致；三个液晶空间光调制器中的另外两个分别置于分光棱镜的透射光路和全反镜后方的激光光路中，用于分别加载两个复合光栅；两个傅里叶透镜分别置于分光棱镜的透射光路和反射光路中的液晶空间光调制器的后方激光光路中，用于实现光场的傅里叶变换；两个CCD相机分别置于两个傅里叶透镜后方的激光光路中且置于像方焦平面处，用于接收变换后的衍射光场。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进 等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于测量多路复用涡旋光束的复合光栅，其特征在于，所述光栅为矩形，其由5×5达曼涡旋光栅与+12阶和-12阶螺旋相位片的全息光栅分别叠加而成，当一束高斯光束照射到该复合光栅上时，远场衍射图案为一5×5的螺旋光束阵列，其角量子数分布从左上至右下分别为0～24和-24～0。
2.一种基于权利要求1所述光栅的多路复用涡旋光束探测装置，其特征在于，包括激光器、偏振分光棱镜、三个液晶空间光调制器、小孔光阑、扩束器、分光棱镜、全反镜、两个傅里叶透镜和两个CCD相机，其中，偏振分光棱镜与分光棱镜为两个不同的器件，各个器件的相对位置和具体作用为：
所述偏振分光棱镜置于激光器发出的激光光路中，用于生成水平线偏振激光；
所述三个液晶空间光调制器的其中之一置于偏振分光棱镜后方的激光光路中，用于将高斯光束转化为携带有多种轨道角动量的多路复用涡旋光束；
所述小孔光阑置于液晶空间光调制器的后方的激光光路中，用于滤除杂散光；
所述扩束器置于小孔光阑后方的激光光路中，用于对多路复用涡旋光束进行准直与扩束；
所述分光棱镜置于扩束器后方的激光光路中，用于将入射涡旋光束分成等强度的两束涡旋光束，两束光分别以反射和透射形式出射；
所述全反镜置于分光棱镜的反射光路中，用于增加一次反射次数，使反射光路中的涡旋光束的轨道角动量态与透射光路和待测涡旋光束保持一致；
所述三个液晶空间光调制器中的另外两个分别置于分光棱镜的透射光路和全反镜后方的激光光路中，每个均加载一个如权利要求1中所述的复合光栅；
所述两个傅里叶透镜分别置于分光棱镜的透射光路和反射光路中的液晶空间光调制器的后方激光光路中，用于实现光场的傅里叶变换；
所述两个CCD相机分别置于两个傅里叶透镜后方的激光光路中且置于像方焦平面处，用于接收变换后的衍射光场。
3.一种基于权利要求1所述光栅的多路复用涡旋光束探测方法，其特征在于，两个液晶空间光调制器分别加载一个如权利要求1所述的复合光栅，当多路复用涡旋光束入射时，可从两个CCD相机上分别读取两个不同的远场衍射图案，通过远场衍射图案中出现实心光斑的位置来确定入射的涡旋光束的角量子数，由此可快速确定待测多路复用涡旋光束的轨道角动量态。
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