CN106885633A - 基于轨道角动量辅助的偏振测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在不破坏待测偏振态的情况下能精确检测的基于轨道角动量辅助的偏振测量系统，属于量子光学技术领域。本发明包括萨尼亚克干涉仪、螺旋相位板、第一全反射镜、第一四分之一玻片、偏振片和探测器；在所述萨尼亚克干涉仪内的光路上设置一个螺旋相位板；待测量偏振光输入至萨尼亚克干涉仪，萨尼亚克干涉仪输出的光入射至第一全反射镜，经第一全反射镜反射的光入射至第一四分之一玻片，经第一四分之一玻片透射的光入射至偏振片，经偏振片透射的光入射至探测器。根据单一光束图像的强度奇点位置就可以提取里面的偏振信息。本发明适合于应用在量子通信、量子探测以及微弱光信号检测等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种偏振测量系统，特别涉及一种基于轨道角动量辅助的偏振测量系统，属于量子光学技术领域。
背景技术
传统对未知偏振状态的检测多是基于破坏性测量，例如：偏振片强制投影，测量后被测偏振态向检测器的透振方向塌缩，圆偏振检测更加复杂，且检测后无法还原偏振态，即无法实现非破坏测量，这种测量方式对于偏振状态检测是十分不利的，因此非破坏测量的需求日益强烈，本领域急需一种非破坏的弱测量方案。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种在不破坏待测偏振态的情况下能精确检测的基于轨道角动量辅助的偏振测量系统。
本发明的基于轨道角动量辅助的偏振测量系统，包括萨尼亚克干涉仪2、螺旋相位板3、第一全反射镜4、第一四分之一玻片5、偏振片6和探测器7；
在所述萨尼亚克干涉仪内的光路上设置一个螺旋相位板3；
待测量偏振光输入至萨尼亚克干涉仪，萨尼亚克干涉仪输出的光入射至第一全反射镜4，经第一全反射镜4反射的光入射至第一四分之一玻片5，经第一四分之一玻片5透射的光入射至偏振片6，经偏振片6透射的光入射至探测器7。
优选的是，所述萨尼亚克干涉仪2包括偏振分束器和三个全反射镜；
待测偏振光输入至偏振分束器15，待测偏振光经偏振分束器15反射的竖直分量依次经第二全反射镜12反射、螺旋相位板3透射、第三全反射镜13反射和第四全反射镜14反射后，入射至偏振分束器15，再经偏振分束器15反射的竖直分量入射至第一全反射镜4；
待测偏振光经偏振分束器15透射的水平分量依次经第四全反射镜14反射、第三全反射镜13反射、螺旋相位板3透射和第二全反射镜12反射后，入射至偏振分束器15，并经偏振分束器15透射至第一全反射镜4。
优选的是，所述测量系统还包括处理系统；
所述处理系统，用于根据探测到图像的光强分布，确定强度奇点，进而判断出偏振状态。
优选的是，所述测量系统还包括偏振光制备装置，所述偏振光制备装置包括激光器8、第二四分之一玻片9、二分之一玻片10和第三四分之一玻片11；
激光器8输出的光依次经第二四分之一玻片9、二分之一玻片10和第三四分之一玻片11，第三四分之一玻片11透射出的光制备好的偏振光；
通过调整入射光偏振方向与第二四分之一玻片9和第三四分之一玻片11之间的角度，制备任意偏振态的偏振光。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明是一种利用轨道角动量作为辅助策略，将轨道角动量与待测偏振态耦合进行联合测量的系统，利用萨尼亚克干涉仪2和螺旋相位板3进行待测偏振态向轨道角动量的模式转换，并将出射干涉仪的光进行后选择完成测量。最终根据单一光束图像的强度奇点位置就可以提取里面的偏振信息。本发明适合于应用在量子通信、量子探测以及微弱光信号检测等领域。与现有技术相比，本发明可以在不破坏待测偏振态的情况下获得待测偏振态的偏振信息，保真度高达90％以上。
附图说明
图1为本发明的基于轨道角动量辅助的偏振测量系统原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于轨道角动量辅助的偏振测量系统，包括萨尼亚克干涉仪2、螺旋相位板3、第一全反射镜4、第一四分之一玻片5、偏振片6和探测器7；
本实施方式在萨尼亚克干涉仪内的光路上设置一个螺旋相位板3，进行模式转换；
待测量偏振光输入至萨尼亚克干涉仪，萨尼亚克干涉仪输出的光入射至第一全反射镜4，经第一全反射镜4反射的光入射至第一四分之一玻片5，经第一四分之一玻片5透射的光入射至偏振片6，经偏振片6透射的光入射至探测器7。
本实施方式使用一个偏振萨尼亚克干涉仪和一块Q板组成的模式转化装置，这个模式转化装置具有100％的转化效率和良好的稳定性，因为干涉仪里光路是自平衡的。
待测量偏振光的两个分量在萨尼亚克干涉仪中等光程内循环，但是方向相反。使用这种方式可以不改变偏振的情况下将高斯模式转换成l＝1的拉盖尔—高斯模式，其中l表示轨道角动量量子数。
优选实施例中，本实施方式萨尼亚克干涉仪2包括偏振分束器和三个全反射镜；
待测偏振光输入至偏振分束器15，待测偏振光经偏振分束器15反射的竖直分量依次经第二全反射镜12反射、螺旋相位板3透射、第三全反射镜13反射和第四全反射镜14反射后，入射至偏振分束器15，再经偏振分束器15反射的竖直分量入射至第一全反射镜4；
待测偏振光经偏振分束器15透射的水平分量依次经第四全反射镜14反射、第三全反射镜13反射、螺旋相位板3透射和第二全反射镜12反射后，入射至偏振分束器15，并经偏振分束器15透射至第一全反射镜4。
如图1所示，本实施方式的第二偏振分束器5将偏振光中的竖直分量反射，光路沿顺时针方向，经过螺旋相位板3的模式转换，没有轨道角动量的偏振态将倍转化为带有轨道角动量的拉盖尔—高斯模式，另一路为被偏振分束器(4)投射的水平分量，与竖直方向的光方向相反，调制相同。
两分量在干涉仪中等光程内循环，但是方向相反。每个偏振分量的螺旋模式通过螺旋相位板3转化，它们再次重合并从第二偏振分束器5另一侧输出萨尼亚克干涉仪2，输出萨尼亚克干涉仪2之后，两个分量获得了相同的光程。
在萨尼亚克干涉仪2里面，轻微倾斜镜面就可以获得弱相互作用，经过干涉仪后，再后选择一个基矢，使用一个像元探测器7观察光强度分布，通过强度奇点位置就可以推断出待测偏振状态。
优选实施例中，测量系统还包括处理系统；
该处理系统根据探测到图像的光强分布，确定强度奇点，进而判断出偏振状态。
将任意一个偏振状态|ψ>用正交的左旋圆偏振基底|R>和右旋圆偏振基底|L>展开
|ψ>＝cosθ|L>+eiφsinθ|R> (1)
其中0≤φ≤2π，i表示虚数。这里参数θ和φ唯一对应于光学布洛赫单位球上的一个点，左旋圆偏振基底|R>和右旋圆偏振基底|L>分别处于布洛赫球的北南两极，考虑可观测量为就是泡利矩阵的x分量矩阵，对于后选择态|L>：
表示弱值，上式一般是一个复数，这个比值给出了偏振态在布洛赫球上的几何位置，换言之，就是一种立体化呈现。
立体化呈现是将球表面三维图变成平面二维图的一种方法。让左旋圆偏振基底表示球的北极，那么给定的一个点P对应于未知偏振态，除了左旋圆偏振基底，将北极点和P之间的连线延长，会与垂直南极点和北极点之间连线的复平面相交于一点。可以通过测量叉线的横纵坐标求得θ和φ，则未知偏振态就被检测出来了。
在实验中，需要制备任意偏振态的偏振光，所以还需要一种偏振光制备装置1；
优选实施例中，本实施方式的偏振光制备装置1还包括偏振光制备装置还包括激光器8、第二四分之一玻片9、二分之一玻片10和第三四分之一玻片11；
激光器8输出的光依次经第二四分之一玻片9、二分之一玻片10和第三四分之一玻片11，第三四分之一玻片11透射出的光制备好的偏振光；
通过调整入射光偏振方向与第二四分之一玻片9和第三四分之一玻片11之间的角度，制备任意偏振态的偏振光。
本实施方式中各光元器件的选择如下：
激光器：激光器作为系统的光源，要求具有较高的功率稳定性和频率稳定性，输出的是波长632nm的线偏振高斯光，横模为TEM00，光束发散角小于1mrad；
四分之一波片：GCL-060402；
二分之一波片：GCL-060412；
偏振分束器：GCC-402032；
全反射镜：GCC-101054；
Q板：使用透射式空间光调制器产，分辨率为600×600。只改变光的相位，不改变光的强度以及偏振的状态。相位的调制根据液晶的不同排列来改变，而且600×600点的相位可以通过控制器逐点的改变。
探测器：GCI-050104；
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (4)
1.基于轨道角动量辅助的偏振测量系统，其特征在于，包括萨尼亚克干涉仪(2)、螺旋相位板(3)、第一全反射镜(4)、第一四分之一玻片(5)、偏振片(6)和探测器(7)；
在所述萨尼亚克干涉仪内的光路上设置一个螺旋相位板(3)；
待测量偏振光输入至萨尼亚克干涉仪，萨尼亚克干涉仪输出的光入射至第一全反射镜(4)，经全反射镜(4)反射的光入射至第一四分之一玻片(5)，经第一四分之一玻片(5)透射的光入射至偏振片(6)，经偏振片(6)透射的光入射至探测器(7)。
2.根据权利要求1所述的基于轨道角动量辅助的偏振测量系统，其特征在于，所述萨尼亚克干涉仪(2)包括偏振分束器(15)和三个全反射镜；
待测偏振光输入至偏振分束器(15)，待测偏振光经偏振分束器(15)反射的竖直分量依次经第二全反射镜(12)反射、螺旋相位板(3)透射、第三全反射镜(13)反射和第四全反射镜(14)反射后，入射至偏振分束器(15)，再经偏振分束器(15)反射的竖直分量入射至第一全反射镜(4)；
待测偏振光经偏振分束器(15)透射的水平分量依次经第四全反射镜(14)反射、第三全反射镜(13)反射、螺旋相位板(3)透射和第二全反射镜(12)反射后，入射至偏振分束器(15)，并经偏振分束器(15)透射至第一全反射镜(4)。
3.根据权利要求1所述的基于轨道角动量辅助的偏振测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括处理系统；
所述处理系统，用于根据探测到图像的光强分布，确定强度奇点，进而判断出偏振状态。
4.根据权利要求1所述的基于轨道角动量辅助的偏振测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括偏振光制备装置，所述偏振光制备装置包括激光器(8)、第二四分之一玻片(9)、二分之一玻片(10)和第三四分之一玻片(11)；
激光器(8)输出的光依次经第二四分之一玻片(9)、二分之一玻片(10)和第三四分之一玻片(11)，第三四分之一玻片(11)透射出的光制备好的偏振光；
通过调整入射光偏振方向与第二四分之一玻片(9)和第三四分之一玻片(11)之间的角度，制备任意偏振态的偏振光。
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