CN107526179A - 一种光场自旋角动量二维编码装置及其编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光场自旋角动量二维编码装置及其编码方法，利用单轴晶体实现径向变化杂化偏振矢量光场的横截面上光子自旋角动量的不同二维分布；从光子自旋角动量到数字逻辑“0”、“1”的编码实现。本发明涉及的装置有：沿着光束传播方向由左至右依次设置的单轴晶体、λ/4波片、偏振片、CCD传感器。本发明相比于其他常用的编码方法，具有光路简单，方便可靠，易于调节等优点，在光场通信技术领域具有潜在的应用前景。

Description

一种光场自旋角动量二维编码装置及其编码方法

技术领域

本发明涉及一种利用单轴晶体实现光场自旋角动量二维编码的装置及其编码方法，属于光子自旋角动量调控技术领域。

背景技术

光场调控主要涉及对频率、相位、振幅和偏振态等的调控。其中对光场频率、相位和振幅的调控技术和应用相对成熟，而对光场偏振态的调控则相对困难。矢量光场作为一种新型光场，其偏振态分布是空间变化的，可以利用“任意偏振分布矢量光束的生成装置”(专利号CN101178484A)生成同时具有线偏振、圆偏振和椭圆偏振的杂化偏振矢量光场。

由于矢量光场的特殊偏振态分布，人们对于矢量光场的偏振态调控提出了很多方法，产生了许多新的现象和应用。我们发现对矢量光场的形状调制可以同时对焦场的振幅、相位、偏振态和自旋角动量的分布进行调控[Y.Pan et.Al.，“Varying focal fields withasymmetric-sector-shapedvector beams,”J.Opt.17(2015)]。

研究者发现，利用数字逻辑器件可以实现从光子自旋角动量到数字“0”、“1”逻辑的转变，利用柱状矢量光场在各向异性介质中传播时自旋角动量的改变可以实现光子自旋角动量的一维编码[J.Li et.Al.,”Propagation properties of cylindricallypolarized vector beam through uniaxial crystal along the optical axis,”Opt.Laser.Tech.45(2013)]。然而利用单轴晶体和矢量光场实现光子自旋角动量的二维编码还未见报道。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的不足，提出一种利用单轴晶体实现光子自旋角动量二维编码装置及其编码方法，填补了矢量光场在二维编码这一应用领域中的空白。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光场自旋角动量二维编码装置，包括沿着光束传播方向由左至右依次设置的径向变化杂化偏振矢量光场、单轴晶体、和用于测量所述径向变化杂化偏振矢量光场的光子自旋角动量的测量机构，所述径向变化杂化偏振矢量光场入射至单轴晶体上，所述单轴晶体的晶体光轴垂直于光束传播方向，光束从单轴晶体的入射面入射，并沿着垂直于晶体光轴的方向传输，从单轴晶体的出射面出射。

进一步的，径向变化杂化偏振矢量光场具有线偏振、圆偏振和椭圆偏振分布。

进一步的，测量机构包括沿着光束传播方向由左至右依次设置的λ/4波片、偏振片和光束分析仪。

本发明还公开了一种光场自旋角动量二维编码方法，径向变化杂化偏振矢量光场沿着光束传播方向传播，在单轴晶体的入射面和出射面分别利用光子自旋角动量测量机构测量径向变化杂化偏振矢量光场通过单轴晶体前后的光子自旋角动量分布。

通过单轴晶体的各向异性对径向变化杂化偏振矢量光场的光子自旋角动量调控，通过改变单轴晶体的类型和厚度，实现对径向变化杂化矢量场光场横截面上特定光子自旋角动量的二维分布。

本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明利用单轴晶体的各向异性对光子自旋角动量进行调控，通过改变单轴晶体的类型(ne/no)或者厚度，实现对光场横截面上光子自旋角动量的二维调控，生成技术成熟，操作简单，效率高；

2、通过合理选取单轴晶体的类型和厚度，能够实现出射光场横截面上的光子自旋角动量与入射光场横截面上光子自旋角动量的分布互补；

3、本发明根据出射光场的光子自旋角动量二维分布情况，也可以反推出光束在单轴晶体中的传输距离，从而可精确获得单轴晶体的厚度；

4、本发明适用于诸如高阶径向变化矢量光场和旋向径向同时变化的矢量光场等任意偏振态分布的径向变化矢量光场，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明经过单轴晶体前入射光场的光子自旋角动量分布图；

图3为本发明经过单轴晶体后出射光场的光子自旋角动量分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种利用单轴晶体实现光子自旋角动量二维编码的装置，包括沿着光束传播方向由左至右依次设置的单轴晶体2、λ/4波片3、偏振片4、光束分析仪5和计算机6；同时具有线偏振、圆偏振和椭圆偏振分布的径向变化杂化偏振矢量光场1入射至单轴晶体2上，单轴晶体2放置在光束的传播方向上，并且单轴晶体2的晶体光轴垂直于光束传播方向，尺寸为几十微米的平行光束从单轴晶体2的入射面入射，并沿着垂直于晶体光轴的方向传输，从单轴晶体2的出射面出射，通过改变单轴晶体2的类型和厚度，实现了光场横截面上光子自旋角动量的二维分布；λ/4波片3、偏振片4、光束分析仪5用于测量径向变化杂化偏振矢量光场1的光子自旋角动量二维分布。

利用单轴晶体2的各向异性实现径向变化杂化偏振矢量光场1的偏振态变化，通过改变单轴晶体2的类型和厚度，实现光场横截面上特定的光子自旋角动量的二维分布。

径向变化杂化偏振矢量光场1沿着光束传播方向传播，在单轴晶体2的入射面和出射面分别利用光子自旋角动量测量机构测量径向变化杂化偏振矢量光场1通过单轴晶体前后的光子自旋角动量分布。图2为理论模拟得到的单轴晶体入射面处光子自旋角动量分布。图2中最亮处的光子自旋角动量为+1，最暗处光场的自旋角动量为-1，由最暗处过渡至最亮处时光子自旋角动量由-1连续变化至+1。通过改变单轴晶体2的类型和厚度，在单轴晶体2出射面处可得到光场横截面上自旋角动量的不同分布。图3为理论模拟得到的某一特定厚度的单轴晶体2出射面处光子自旋角动量分布。对比图2与图3的光子自旋角动量分布结果可发现，图3所示的横截面上光子自旋角动量的二维分布与图3所示的光子自旋角动量的二维分布恰好互补，也就是入射光场和出射光场横截面上同一位置处的光子自旋角动量恰好相反，可以说运用该方法能够对光子自旋角动量进行最大程度的编码。由此可以看出，利用单轴晶体2的各向异性，通过改变单轴晶体2的类型和厚度，实现对光场横截面上自旋角动量的二维分布的调控，操作简单，可控性强，效率高，具有极高的应用价值。

本实施例中，选用的径向变化杂化偏振矢量光场为单纵模532nm连续光；光场的尺寸为100μm；单轴晶体ne＝3，no＝2。图2为单轴晶体的入射面处的光子自旋角动量分布，图3为厚度为3.3mm的单轴晶体出射面处的光子自旋角动量分布。

Claims (5)

1.一种光场自旋角动量二维编码装置，其特征在于：包括沿着光束传播方向由左至右依次设置的径向变化杂化偏振矢量光场(1)、单轴晶体(2)、和用于测量所述径向变化杂化偏振矢量光场(1)的光子自旋角动量的测量机构，所述径向变化杂化偏振矢量光场(1)入射至单轴晶体(2)上，所述单轴晶体(2)的晶体光轴垂直于光束传播方向，光束从单轴晶体(2)的入射面入射，并沿着垂直于晶体光轴的方向传输，从单轴晶体(2)的出射面射出。

2.根据权利要求1所述的一种光场自旋角动量二维编码装置，其特征在于：所述径向变化杂化偏振矢量光场(1)具有线偏振、圆偏振和椭圆偏振分布。

3.根据权利要求1所述的一种光场自旋角动量二维编码装置，其特征在于：所述测量机构包括沿着光束传播方向由左至右依次设置的λ/4波片(3)、偏振片(4)和光束分析仪(5)。

4.基于权利要求1至3任意一项所述的一种光场自旋角动量二维编码装置的编码方法，其特征在于：径向变化杂化偏振矢量光场(1)沿着光束传播方向传播，在单轴晶体(2)的入射面和出射面分别利用光子自旋角动量测量机构测量径向变化杂化偏振矢量光场(1)通过单轴晶体前后的光子自旋角动量分布，实现对径向变化杂化矢量场(1)光场横截面上特定光子自旋角动量的二维分布。

5.根据权利要求4所述的一种光场自旋角动量二维编码装置的编码方法，其特征在于：通过单轴晶体(2)的各向异性对径向变化杂化偏振矢量光场(1)的光子自旋角动量调控，通过改变单轴晶体(2)的类型和厚度，实现对径向变化杂化矢量场(1)光场横截面上特定光子自旋角动量的二维分布调控。