CN106768343B - 热光非定域角双缝干涉方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热光非定域角双缝干涉方法及系统，该系统包括光路上依次设置的热光源、非偏振分束器、空间光调制器、单光子探测器和计算机；所述第一光路与所述第二光路上的元器件对称设置。本发明利用非相干热光源，首次实现了利用非相干热光源轨道角动量域的关联特性的角双缝干涉；降低了对光源相干性的要求，从而拓展了其应用范围，可以实现对待测物体的非定域探测。系统中的两个光路，一个光路可以称为物光光路，另一个被称为参考光路。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其是涉及一种热光非定域角双缝干涉方法及系统。
背景技术
1909年，Poynting发现光波具有自旋角动量。1992年，Leidon大学的Allen等人发现光子除具有自旋角动量外，还携带轨道角动量(OAM)。
2002年，Glasgow大学的Padgett小组实验上实现了光子轨道角动量分离技术，并且指出以轨道角动量作为信息载体，可大大提高单个光子的通讯容量，这主要是由于光子的轨道角动量是无限维度的。
2001年，Zeilinger小组首次实验演示了自发参量下转换产生的双光子显示出轨道角动量纠缠。
2005年，Woerdman小组利用半整数阶的螺旋相位实验演示了分数轨道角动量纠缠，并于2008年引入了“Shannon维度"的概念，用来刻画了高维轨道角动量纠缠所允许量子信道的通信容量。
目前，利用光子轨道角动量作为信息载体的应用技术领域还属于空白阶段，很多应用技术还仅处于理论探讨阶段，有待于本领域的科研人员做深入地开发和研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热光非定域角双缝干涉方法及系统，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
为实现上述目的，本发明公开了一种热光非定域角双缝干涉系统，其包括光路上依次设置的热光源、非偏振分束器、空间光调制器(SLM)、单光子探测器(APD)和计算机；
所述热光源用于发出非相干热光束；
所述非相干热光束通过所述非偏振分束器按照光强均分为第一光束和第二光束；
所述第一光束的光路为第一光路，
所述第二光束的光路为第二光路；
所述第一光路与所述第二光路上的元器件对称设置；
所述空间光调制器用于改变光子的轨道角动量；所述单光子探测器用于收集光信号；
所述空间光调制器包括所述第一光路和所述第二光路上对称设置的第一空间光调制器(SLM1)和第二空间光调制器(SLM2)；
所述单光子探测器包括所述第一光路和所述第二光路上对称设置的第一单光子探测器(APD1)和第二单光子探测器(APD2)；
所述第一单光子探测器(APD1)和所述第二单光子探测器(APD2)与计算机连接，计算机同步采集所述第一光束和第二光束的光信号，并对第一光束和第二光束的光子进行关联测量。
进一步地，所述第一单光子探测器(APD1)和所述第二单光子探测器(APD2)与所述计算机主板上的采集卡连接。
进一步地，所述热光源包括激光发生器和数字微镜面，自激光发生器发出的激光束照射所述数字微镜面产生空间相位随机分布的非相干热光束。
进一步地，所述数字微镜面(DMD)与所述非偏振分束器之间的光路上设置有只让一级光谱通过的第一光阑。
进一步地，所述数字微镜面(DMD)与所述第一光阑之间设置有第一双凸透镜，所述第一光阑设置在第一双凸透镜的焦距上。
进一步地，在所述非偏振分束器与所述第一光阑之间设置有第二双凸透镜。
进一步地，所述第一单光子探测器(APD1)包括通过单模光钎连接的第一镜头，所述第一镜头设置在所述第一光路末端，用于接收第一光束的信号；
所述第二单光子探测器(APD2)包括通过单模光钎连接的第二镜头，所述第二镜头设置在所述第二光路末端，用于接收第二光束的信号。
进一步地，在所述第一光路上，所述第一镜头和所述第一空间光调制器之间设置有第三双凸透镜、以及只让一级光谱通过的第二光阑；
进一步地，在所述第二光路上，所述第二镜头和所述第二空间光调制器之间设置有第四双凸透镜、以及只让一级光谱通过的第三光阑。
进一步地，所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器与计算机连接，计算机用于通过空间光调制器向第一光束和/或第二光束加载代表不同角动量的叉型图或者待测物体。
进一步地，所述待测物体为角向的振幅型透射物体。
本发明还提供了一种热光非定域角双缝干涉方法，所述热光非定域角双缝干涉方法包括如下步骤：
S1.非相干热光束均分为第一光束和第二光束；
S2.所述第一光束和所述第二光束分别通过第一光路和第二光路，其中，第一光路和第二光路对称设置；
S3.所述第一光束和所述第二光束上加载不同的轨道角动量值；
S4.对第一光束和第二光束进行轨道角动量的关联测量，利用热光源的二阶关联特性，获得角双缝干涉图谱。
进一步地，所述第一光路和所述第二光路上对称设置有空间光调制器，所述空间光调制器用于向所述第一光路和/或所述第二光路加载叉型图或待测物体，实现对所述第一光路和所述第二光路不同的轨道角动量值的加载。
进一步地，代表不同角动量值的所述叉型图由计算机程序生成。
进一步地，步骤S4中，同步采集所述第一光束和第二光束的光信号，以实现轨道角动量的关联测量。
进一步地，步骤S4中，通过控制信号采集的时间窗口，以保持所述第一光路和所述第二光路的光子采集同步。
进一步地，所述第一光束和第二光束进行轨道角动量的关联测量时，需满足如下公式：
其中，G(2)为代表轨道角动量的二阶关联函数；
l1为第一光路中的轨道角动量值；
l2为第二光路中的轨道角动量值；
I1为第一光路中单光子探测器测量的光强值；
I2为第二光路中单光子探测器测量的光强值；
为第一光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；
为第二光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；
ΔG为热光轨道角动量的涨落的关联函数。
本发明利用非相干热光源，首次实现了利用轨道角动量域的关联特性的角双缝干涉；降低了对光源相干性的要求，从而拓展了其应用范围，可以实现对待测物体的非定域探测。系统中的两个光路，一个光路可以称为物光光路，另一个被称为参考光路，其中，所述“非定域”是指第一光路和第二光路均只照射到角双缝的一部分，而非直接照射到真正的待测角双缝。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的热光非定域角双缝干涉系统结构示意图；
图2为在干涉系统中的SLM上加载待测物体T1、待测物体T2以及相应的轨道角动量得到的叉型图；
图3为本发明实施例2中第一光束的轨道角动量值l1固定，扫描第二光束轨道角动量值l2并将两光路进行关联测量的情况下得到的轨道角动量谱图；
图4为本发明实施例2中单独扫描l2所获得的强度分布谱线图；
图5为本发明实施例2中为轨道角动量值l2固定，扫描l1并将两光路进行关联测量所获得的谱图；
图6为本发明实施例2中单独扫描l1所获得的强度分布谱线；
图7为热光定域角双缝关联干涉图谱；
图8为激光照射定域角双缝干涉图谱。
附图标记：
1-激光发生器；2-计算机；10-非相干热光束；BS-非偏振分束器；11-第一光束；12-第二光束；SLM1-第一空间光调制器；SLM2-第二空间光调制器；Q1-第一镜头；Q2-第二镜头；APD1-第一单光子探测器；APD2-第二单光子探测器；P1-第一光阑；P2-第二光阑；P3-第三光阑；L1-第一双凸透镜；L2-第二双凸透镜；L3-第三双凸透镜；L4-第四双凸透镜；SMF-单模光钎；DMD-数字微镜面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。
实施例1
如图1-2所示，本实施例提供的一种热光非定域角双缝干涉系统，其包括光路上依次设置的热光源、非偏振分束器BS、空间光调制器、单光子探测器和计算机2；
热光源用于发出非相干热光束10；
非相干热光束10通过非偏振分束器BS按照光强均分为第一光束11和第二光束12；
第一光束11的光路为第一光路，
第二光束12的光路为第二光路；
第一光路与第二光路上的元器件对称设置；
空间光调制器用于改变光子的轨道角动量；单光子探测器用于收集光信号；
空间光调制器包括第一光路和第二光路上对称设置的第一空间光调制器SLM1和第二空间光调制器SLM2；
单光子探测器包括第一光路和第二光路上对称设置的第一单光子探测器APD1和第二单光子探测器APD2；
第一单光子探测器APD1和第二单光子探测器APD2与计算机2连接，计算机2同步采集第一光束11和第二光束12的光信号，并对第一光束11和第二光束12的光子进行关联测量。
第一单光子探测器APD1和第二单光子探测器APD2与计算机2主板上的采集卡连接。
热光源包括激光发生器1和数字微镜面DMD，自激光发生器1发出的激光束照射数字微镜面DMD产生空间相位随机分布的非相干热光束。
其中，数字微镜面DMD与非偏振分束器BS之间的光路上设置有只让一级光谱通过的第一光阑P1。
数字微镜面DMD与第一光阑P1之间设置有第一双凸透镜L1，第一光阑P1设置在第一双凸透镜L1的焦距上。
在非偏振分束器BS与第一光阑P1之间设置有第二双凸透镜L2。
第一单光子探测器APD1包括通过单模光钎SMF连接的第一镜头Q1，第一镜头Q1设置在第一光路末端，用于接收第一光束11的信号；
第二单光子探测器APD2包括通过单模光钎SMF连接的第二镜头Q2，第二镜头Q2设置在第二光路末端，用于接收第二光束12的信号。
第一光路上，第一镜头Q1和第一空间光调制器SLM1之间设置有第三双凸透镜L3、以及只让一级光谱通过的第二光阑P2。
第二光路上，第二镜头Q2和第二空间光调制器SLM2之间设置有第四双凸透镜L4、以及只让一级光谱通过的第三光阑P3。
第一空间光调制器SLM1和第二空间光调制器SLM2与计算机2连接，计算机2用于通过第一空间光调制器SLM1向第一光束11加载待测物体T1。在实验中发明人使用一台计算机给SLM1和SLM2加载信息，然后用了另外一台计算机做关联测量。
其中，DMD与分束器之间的两个透镜组成4f系统，SLM设置在双凸透镜的焦距位置。
计算机2用于通过第二空间光调制器SLM2向第二光束12加载待测物体T2。
待测物体T1和待测物体T2为角向的振幅型透射物体。
而待测物体T1和待测物体T2由计算机2程序模拟生成。
计算机通过第一单光子探测器APD1和第二单光子探测器APD2同步采集第一光束11和第二光束12的光信号的强度信息，将这些信息带入如下公式进行关联测量，最终获得角双缝所对应的轨道角动量谱。
如图2所示，待测非定域物体为S，T1和T2分别表示S的两个部分。其中α＝π，β＝π/3，α代表角双缝的双缝间距，β代表角双缝的缝宽。
本发明利用非相干热光源，首次实现了利用轨道角动量域的关联特性的角双缝干涉；降低了对光源相干性的要求，从而拓展了其应用范围，可以实现对待测物体的非定域探测。
实施例2
本实施例提供了一种利用上述系统进行的热光非定域角双缝干涉方法，热光非定域角双缝干涉方法包括如下步骤：
S1.非相干热光束10均分为第一光束11和第二光束12；
S2.第一光束11和第二光束12分别通过第一光路和第二光路，其中，第一光路和第二光路对称设置；
S3.通过向两个光路中的空间光调制器SLM加载不同的叉型图，给第一光路和第二光路上加载不同的轨道角动量值；
S4.对第一光束11和第二光束12进行轨道角动量的关联测量，利用热光源的二阶关联特性，获得角双缝干涉图谱。
步骤S4中，同步采集第一光束11和第二光束12的光信号，以实现轨道角动量的关联测量。
其中，需要通过控制信号采集的时间窗口，以保持第一光路和第二光路的光子采集同步。
第一光束11和第二光束12进行轨道角动量的关联测量时，需满足如下公式：
其中，G(2)为代表轨道角动量的二阶关联函数；
l1为第一光路中的轨道角动量值；
l2为第二光路中的轨道角动量值；
I1为第一光路中单光子探测器测量的光强值；
I2为第二光路中单光子探测器测量的光强值；
为第一光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；
为第二光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；
ΔG为热光轨道角动量的涨落关联函数。
图3(a1)为第一光束11的轨道角动量值l1固定，扫描第二光束12轨道角动量值l2并将两光路进行关联测量的情况下得到的轨道角动量谱图；
图4(a2)为单独扫描l2所获得的强度分布谱线图。
对比图3和图4可以看出，通过单路扫描所获得的强度分布无法获得待测物体的信息，但是通过强度关联测量则可以获得待测物体S(由T1和T2组合所构成的角双缝)的干涉谱线。
由于系统装置中分束器后的两个光路对称，所以我们的测量也可以采用对称的方式扫描。
图5(b1)为轨道角动量值l2固定，扫描l1并将两光路进行关联测量所获得的谱图。
图6(b2)为单独扫描l1所获得的强度分布谱线。
图5显示通过轨道角动量的关联测量，获得了待测物体T1和T2组合所构成的角双缝的S干涉谱线。图6(b2)中单路扫描强度分布是无法获得物体信息的。
为了与定域的角双缝轨道角动量关联测量进行对比，我们设计了对比的方案。就是把一个定域的角双缝(等效于T1和T2在空间组合所构成的角双缝)放在系统装置图中的一个光路里，另一个光路不放置任何待测物体，然后将l2的轨道角动量值固定在零点，扫描l1。
如图7(c1)所示。对比c1热光关联干涉图谱与a1,b1，可以发现定域角双缝关联测量结果等效于非定域角双缝关联测量结果。尽管在非定域角双缝关联测量系统中，任何一个光路都不存在一个真正的角双缝物体，但是我们通过利用热光源轨道角动量的二阶关联特性则可以获得等效于定域角双缝的谱信息。
如图8(c2)为激光照射定域角双缝S所获得的干涉图谱，利用相干光源激光对定域角双缝直接照射所获得的强度分布，从图中可以看出利用相干光源，我们可以直接通过强度测量获得角双缝的干涉谱线，而不需要通过关联测量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种热光非定域角双缝干涉系统，其特征在于，包括光路上依次设置的热光源、非偏振分束器、空间光调制器、单光子探测器和计算机；
所述热光源用于发出非相干热光束；
所述非相干热光束通过所述非偏振分束器按照光强均分为第一光束和第二光束；
所述第一光束的光路为第一光路，
所述第二光束的光路为第二光路；
所述第一光路与所述第二光路上的元器件对称设置；
所述空间光调制器用于改变光子的轨道角动量；所述单光子探测器用于收集光信号；
所述空间光调制器包括所述第一光路和所述第二光路上对称设置的第一空间光调制器和第二空间光调制器；
所述单光子探测器包括所述第一光路和所述第二光路上对称设置的第一单光子探测器和第二单光子探测器；
所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器与计算机连接，计算机同步采集所述第一光束和第二光束的光信号，并对第一光束和第二光束的光子进行关联测量；
所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器与计算机连接，计算机用于通过空间光调制器向第一光束和/或第二光束加载代表不同角动量的叉型图或者待测物体；所述待测物体为角向的振幅型透射物体。
2.根据权利要求1所述的热光非定域角双缝干涉系统，其特征在于，所述热光源包括激光发生器和数字微镜面，自激光发生器发出的激光束照射所述数字微镜面产生空间相位随机分布的非相干热光束。
3.根据权利要求2所述的热光非定域角双缝干涉系统，其特征在于，所述数字微镜面与所述非偏振分束器之间的光路上设置有只让一级光谱通过的第一光阑。
4.根据权利要求3所述的热光非定域角双缝干涉系统，其特征在于，所述数字微镜面与所述第一光阑之间设置有第一双凸透镜，所述第一光阑设置在第一双凸透镜的焦距上。
5.根据权利要求3所述的热光非定域角双缝干涉系统，其特征在于，在所述非偏振分束器与所述第一光阑之间设置有第二双凸透镜。
6.根据权利要求1所述的热光非定域角双缝干涉系统，其特征在于，所述第一单光子探测器包括通过单模光钎连接的第一镜头，所述第一镜头设置在所述第一光路末端，用于接收第一光束的信号；
所述第二单光子探测器包括通过单模光钎连接的第二镜头，所述第二镜头设置在所述第二光路末端，用于接收第二光束的信号。
7.根据权利要求6所述的热光非定域角双缝干涉系统，其特征在于，在所述第一光路上，所述第一镜头和所述第一空间光调制器之间设置有第三双凸透镜、以及只让一级光谱通过的第二光阑；
在所述第二光路上，所述第二镜头和所述第二空间光调制器之间设置有第四双凸透镜、以及只让一级光谱通过的第三光阑。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述的热光非定域角双缝干涉系统的热光非定域角双缝干涉方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.非相干热光束均分为第一光束和第二光束；
S2.所述第一光束和所述第二光束分别通过第一光路和第二光路，其中，第一光路和第二光路对称设置；
S3.所述第一光束和所述第二光束上加载不同的轨道角动量值；
S4.通过控制信号采集的时间窗口，同步采集所述第一光束和第二光束的光信号，对第一光束和第二光束进行轨道角动量的关联测量，利用热光源的二阶关联特性，获得角双缝干涉图谱。
9.根据权利要求8所述的热光非定域角双缝干涉方法，其特征在于，所述第一光束和第二光束进行轨道角动量的关联测量时，需满足如下公式：
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其中，G(2)为代表轨道角动量的二阶关联函数；
l1为第一光路中的轨道角动量值；
l2为第二光路中的轨道角动量值；
I1为第一光路中单光子探测器测量的光强值；
I2为第二光路中单光子探测器测量的光强值；
为第一光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；
为第二光路末端单光子探测器探测面的光场分布函数；
ΔG为热光轨道角动量的涨落关联函数。
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