CN105784111B - 一种螺旋光束轨道角动量谱的检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋光束轨道角动量谱的检测装置和检测方法，检测装置包括顺着光束传播路径设置的半波片、空间光调制器、聚焦透镜、孔径光阑和光纤耦合头，光纤耦合头通过单模光纤与数据采集模块相连，数据采集模块与控制模块相连，空间光调制器也与控制模块电连接；该检测方法通过观察待测螺旋光束的衍射光场中基模高斯光束经耦合输出后的光功率谱，可得到待测螺旋光束具有的轨道角动量值或轨道角动量谱；该装置不仅可以实现对任意轨道角动量值的螺旋光束的快速检测，同时，能够实现对螺旋光束轨道角动量谱的准确测量。

Description

一种螺旋光束轨道角动量谱的检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种螺旋光束轨道角动量谱的检测装置和检测方法。

背景技术

轨道角动量是光的一个重要物理参数。对光子轨道角动量的研究一直是光学领域的热门话题。携带轨道角动量的光束被称为螺旋光束，是一种具有形式相位因子的光束，每个光子携带的轨道角动量为(其中l为轨道角动量量子数，l＝0,±1,±2,......，为普朗克常数h与2π的比值)。该类光束的典型特征在于：具有周期性的螺旋相位波前，当l＝0时，该类光束与普通的基模高斯光束在截面内的强度分布相同；而当l≠0时，这类光束中心存在相位奇点并且光束的中心强度为0，光强在其截面上呈环状分布。近年来，围绕着螺旋光束的产生、检测、传输及应用等方面取得了重要进展，在诸多科技领域展现了广阔的应用前景，例如微粒子操纵、生物医学、信息传输等。

目前，针对螺旋光束所具有的轨道角动量值的检测，主要的方法有马赫-曾德尔干涉仪级联法、组合半波片法(专利申请号：201210004877.9)、利用Porro棱镜旋转光束法(发明专利申请号：200810115598.3)及螺旋光束衍射法(专利申请号：201510191364.7)等。上述四种方法中，第一种方法测量高维轨道角动量时需要不断级联干涉装置，系统复杂庞大；第二种方法每进行一次测量就需更换一次波片重新调整光路，同样不方便检测；第三种方法引入了旋转元件Porro棱镜，调节难度大，不易检测；第四种方法通过检测基模高斯光束出现的衍射级位置从而判断出入射螺旋光束的轨道角动量值，虽然简单有效，但该方法只能针对具有单个轨道角动量值的螺旋光束进行检测，无法实现轨道角动量谱的测量。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种能够更加简单方便地实现螺旋光束轨道角动量谱测量的检测装置。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述检测装置的检测方法，通过控制模块生成一系列具有特定叉状数(叉状数可以是任意整数)的叉状相位图，并通过程序控制依次显示输出到空间光调制器上。待测光束入射至空间光调制器后将得到衍射光场，此时将-1级衍射光耦合进入单模光纤并通过数据采集模块采集光功率，反馈至控制模块显示输出功率谱，经分析处理即可输出待测螺旋光束的轨道角动量谱。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种螺旋光束轨道角动量谱的检测装置，包括顺着光束传播路径设置的半波片、空间光调制器、聚焦透镜、孔径光阑和光纤耦合头，螺旋光束通过半波片旋转后入射空间光调制器，聚焦透镜将空间光调制器衍射后的光束聚焦成像，孔径光阑选出经聚焦透镜输出的-1级衍射光，光纤耦合头将通过孔径光阑后的光束耦合；光纤耦合头通过单模光纤与数据采集模块相连，数据采集模块与控制模块相连，数据采集模块用于探测通过单模光纤输出的基模高斯光束的光功率值并传输至控制模块；所述空间光调制器也与控制模块电连接，控制模块用于将叉状相位图输出到空间光调制器上。

优选地，所述数据采集模块包括相连的功率探测器和数据采集卡，功率探测器与单模光纤相连，数据采集卡与控制模块相连。

优选地，顺着光束传播路径，所述聚焦透镜和孔径光阑之间还设有检偏器，用于对衍射光场进行检偏。

优选地，所述叉状相位图包括中心具有叉状数为{m₁,m₂,m₃,…m_i}且其周期结构不变的叉状相位图。

优选地，所述控制模块包括显示单元，显示单元用于显示光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图。

一种螺旋光束轨道角动量谱的检测方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤一、通过控制模块将具有固定周期结构的叉状相位图以间隔时间t输入到空间光调制器；

步骤二、将螺旋光束通过半波片入射至检测装置，数据采集模块同时同步间隔时间t采集得到光功率值，控制模块处理得到光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图；

步骤三、观察光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图，如果只在叉状数为m_i的叉状相位图处采集到一个峰值，则入射螺旋光束的轨道角动量值l＝m_i；如果在叉状数为m₁、m₂…m_i的叉状相位图处采集到峰值，且峰值的归一化强度大小分别为P₁，P₂…P_i，则入射螺旋光束的轨道角动量值分别为l₁＝m₁，l₂＝m₂…l_i＝m_i，其强度比为各峰值的归一化强度大小之比。

优选地，在步骤一中，所述叉状相位图包括中心具有叉状数为{m₁,m₂,m₃,…m_i}且其周期结构不变的叉状相位图。

本发明的有益效果是：本发明所提供的螺旋光束轨道角动量谱的检测装置和检测方法不仅可以实现对任意轨道角动量值的螺旋光束的快速检测，同时，能够实现对螺旋光束轨道角动量谱的准确测量。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构示意图；

图2是本发明控制模块生成的具有固定周期结构的叉状相位图的示意图；

图3是本发明实施例一中光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图；

图4是本发明实施例二中光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图；

附图标记说明：1、半波片；2、空间光调制器；3、聚焦透镜；4、检偏器；5、孔径光阑；6、光纤耦合头；7、单模光纤；8、功率探测器；9、数据采集卡；10、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明的螺旋光束轨道角动量谱的检测装置，包括半波片1、空间光调制器2、聚焦透镜3、孔径光阑5、光纤耦合头6、单模光纤7、数据采集模块和控制模块。半波片1、空间光调制器2、聚焦透镜3、孔径光阑5和光纤耦合头6顺着光束传播路径设置，光纤耦合头6通过单模光纤7与数据采集模块相连，控制模块分别与数据采集模块和空间光调制器2接连。数据采集模块用于探测通过单模光纤7输出的光束的光功率值并传输至控制模块，控制模块一方面用于将叉状相位图输出到空间光调制器2上，另一方面将数据采集模块采集到的光功率数据进行分析处理并最终得到光功率随叉状相位图叉状数的变化关系图。

空间光调制器是一种通过控制液晶亮度来改变入射光所具有的轨道角动量值的仪器。若以一束具有轨道角动量值为l的螺旋光束入射至空间光调制器，则其输出光场将具有类似光学衍射的效果。衍射光场中各衍射级的螺旋光束所具有的轨道角动量值为L＝nm+l。其中n表示衍射的级次，m表示输入到空间光调制器液晶屏幕上的叉状图的叉状数，L为对应衍射级的输出光所具有的轨道角动量值。特别地，若只选取衍射光场中-1衍射级光，则可得到：L＝-1·m+l＝-m+l。基于此，如果将一系列不同叉状数{m₁,m₂,m₃,…m_i}的叉状图以一定的时间间隔依次显示到空间光调制器上，则当且仅当m_i＝l时，才可得到L＝0的螺旋光束。即此时-1衍射级的螺旋光束和通常的基模高斯光束相同；但凡m_i≠l，则L都不为零，即此时-1衍射级的螺旋光束都和基模高斯光束不同，中心强度均不为零。

单模光纤是一种常用的传输基模高斯光束的设备。由其工作原理可知，只有基模高斯光束才能耦合进入单模光纤，其余非基模高斯光束都无法在单模光纤中传输。因此，根据空间光调制器的理论结合一个单模光纤，即可判断出入射到空间光调制器之前螺旋光束所具有的轨道角动量值。

数据采集模块包括相连的功率探测器8和数据采集卡9，控制模块包括计算机10、输入单元和显示单元。功率探测器8与单模光纤7相连，计算机10分别与数据采集卡9、空间光调制器2、输入单元和显示单元相连，显示单元可采用显示器，用于显示光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图。

螺旋光束首先透过半波片1，半波片1用于将螺旋光束旋转到固定的偏振方向，以满足空间光调制器2对入射光束的偏振要求，空间光调制器2置于半波片1之后，如图2所示，计算机10将具有固定周期结构的一系列不同叉状数{m₁,m₂,m₃,…m_i}的叉状相位图以一定的时间间隔依次输出到空间光调制器2上并显示出来，螺旋光束经过叉状相位图发生衍射，叉状相位图分叉的大小类似于光栅的周期，可由计算机程序设计得到，分叉大小的调整为常规技术手段，在此不再详述，只需选择合适的分叉大小使螺旋光束衍射之后各衍射级次之间的距离不至于太大也不至于太小即可。

聚焦透镜3置于经空间光调制器2衍射后的光路中，将空间光调制器2衍射后的光束聚焦成像，检偏器4置于聚焦透镜3后对衍射光场进行检偏，以提高成像质量，如果不用偏振片4的话，衍射效率会低一些，即检偏器4对于本发明的检测装置为一个优选的方案。孔径光阑5置于检偏器4之后，选出经聚焦透镜3输出的-1级衍射光，光纤耦合头6将通过孔径光阑5后的光束耦合，并通过单模光纤7传输至功率探测器8，功率探测器8用于探测通过单模光纤7输出的基模高斯光束的光强，数据采集卡9用于采集光强数据(即光功率值)并传输至计算机10；计算机10将数据采集卡9采集到的光功率数据进行分析处理并最终在显示单元中显示出光功率随叉状相位图叉状数的变化关系图，此图即为入射光束所具有的轨道角动量谱，通过该轨道角动量谱即可判断入射螺旋光束所具有的轨道角动量值。

本发明还提供一种基于上述检测装置的螺旋光束轨道角动量谱的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、通过计算机10生成中心具有叉状数为{m₁,m₂,m₃,…m_i}且其周期结构不变的叉状相位图并将其间隔时间t输入到空间光调制器2。分叉的大小类似于光栅的周期，可由计算机程序设计得到，分叉大小的调整为常规技术手段，在此不再详述，只需选择合适的分叉大小使螺旋光束衍射之后各衍射级次之间的距离不至于太大也不至于太小即可。

步骤二、将一束螺旋光束通过半波片1入射至检测装置，数据采集模块同时同步间隔时间t采集得到光功率值，控制模块分析处理得到光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图。

步骤三、观察光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图，如果只在叉状数为m_i的叉状相位图处采集到一个峰值，则入射螺旋光束的轨道角动量值l＝m_i；如果在叉状数为m₁、m₂…m_i的叉状相位图处采集到峰值，且峰值的归一化强度大小分别为P₁，P₂…P_i，则入射螺旋光束的轨道角动量值分别为l₁＝m₁，l₂＝m₂…l_i＝m_i，其强度比为各峰值的归一化强度大小之比。判断原理在本发明的检测装置部分作了介绍，在此不再详述。

以下通过两个实施例来说明对于单个轨道角动量值的螺旋光束轨道角动量值以及具有多个轨道角动量值的螺旋光束轨道角动量谱的检测。

实施例一：具有单个轨道角动量值的螺旋光束轨道角动量值的检测。

将待检测光束依次通过检测装置，将如图2所示的叉状数分别为{-3,-2,-1,0,1,2,3}的叉状图以时间间隔0.5秒输入到空间光调制器中，同时数据采集模块同步采集得到的光功率值，计算机10处理后，显示单元输出如图3所示的光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图，观察该图可知，仅在叉状数m＝1处，功率谱图上出现一个峰，此时可判定待测螺旋光束的轨道角动量值l＝m＝1。

实施例二：具有多个轨道角动量值的螺旋光束轨道角动量谱的检测。

将待检测光束依次通过我们发明的检测装置，将如图2所示的叉状数分别为m_i＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}的叉状图以时间间隔0.5秒输入到空间光调制器中，同时数据采集模块同步采集得到的光功率值，计算机10处理后，显示单元输出如图4所示的光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图，观察该图可知，当输入叉状数分别为m₂＝-2，m₃＝-1，m₅＝1时，功率谱上检测到三个峰，且峰值的归一化强度大小分别为P₂＝0.3，P₃＝0.5，P₅＝0.2，则可判定输入的螺旋光束具有的轨道角动量值分别为l₂＝-2，l₃＝-1，l₅＝1的结构，且其强度比为即完成了对螺旋光束轨道角动量谱的准确检测。

以上两个实施案例仅举例了轨道角动量谱范围在l_i＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}7个维度内的结果。事实上，通过增加显示到空间光调制器上叉状图的数目，可以将我们发明的轨道角动量谱检测装置的有效性扩展到无穷多维度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种螺旋光束轨道角动量谱的检测装置，其特征在于：包括顺着光束传播路径设置的半波片(1)、空间光调制器(2)、聚焦透镜(3)、孔径光阑(5)和光纤耦合头(6)，螺旋光束通过半波片(1)旋转后入射空间光调制器(2)，聚焦透镜(3)将空间光调制器(2)衍射后的光束聚焦成像，孔径光阑(5)选出经聚焦透镜(3)输出的-1级衍射光，光纤耦合头(6)将通过孔径光阑(5)后的光束耦合；光纤耦合头(6)通过单模光纤(7)与数据采集模块相连，数据采集模块与控制模块相连，数据采集模块用于探测通过单模光纤(7)输出的基模高斯光束的光功率值并传输至控制模块；所述空间光调制器(2)也与控制模块电连接，控制模块用于将具有固定周期结构的叉状相位图以间隔时间t输出到空间光调制器(2)上；所述叉状相位图包括中心具有叉状数为{m₁,m₂,m₃,…m_i}且其周期结构不变的叉状相位图。

2.根据权利要求1所述的螺旋光束轨道角动量谱的检测装置，其特征在于：所述数据采集模块包括相连的功率探测器(8)和数据采集卡(9)，功率探测器(8)与单模光纤(7)相连，数据采集卡(9)与控制模块相连。

3.根据权利要求1所述的螺旋光束轨道角动量谱的检测装置，其特征在于：顺着光束传播路径，所述聚焦透镜(3)和孔径光阑(5)之间还设有检偏器(4)，用于对衍射光场进行检偏。

4.根据权利要求1所述的螺旋光束轨道角动量谱的检测装置，其特征在于：所述控制模块包括显示单元，显示单元用于显示光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图。

5.一种螺旋光束轨道角动量谱的检测方法，使用权利要求1至4任一所述的检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过控制模块将具有固定周期结构的叉状相位图以间隔时间t输入到空间光调制器(2)；所述叉状相位图包括中心具有叉状数为{m₁,m₂,m₃,…m_i}且其周期结构不变的叉状相位图；

步骤二、将螺旋光束通过半波片(1)入射至检测装置，数据采集模块同时同步间隔时间t采集得到光功率值，控制模块处理得到光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图；

步骤三、观察光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图，得到入射螺旋光束的轨道角动量值。

6.根据权利要求5所述的螺旋光束轨道角动量谱的检测方法，其特征在于：在步骤三中，观察光功率值随叉状相位图叉状数的变化关系图，如果只在叉状数为m_i的叉状相位图处采集到一个峰值，则入射螺旋光束的轨道角动量值l＝m_i；如果在叉状数为m₁、m₂…m_i的叉状相位图处采集到峰值，且峰值的归一化强度大小分别为P₁，P₂…P_i，则入射螺旋光束的轨道角动量值分别为l₁＝m₁，l₂＝m₂…l_i＝m_i，其强度比为各峰值的归一化强度大小之比。