CN111238634B - 一种基于干涉的光束轨道角动量谱分析方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于干涉的光束轨道角动量谱分析方法与装置。引入一参考高斯光束，使其与待测光束同轴干涉，通过干涉场的二维光场分布，以及待测光束和参考光束的二维光场分布，可反推出待测光束的复振幅，进而采用螺旋谐波展开的方式直接计算出待测光束的轨道角动量谱。本发明的工作原理完全依照轨道角动量谱的定义展开，使得本发明的方法适用于任何激光束，不受待测光束光场分布的制约。此外本发明的装置结构简单而稳定，易于小型化，方便携带，能有效的应用于各种不同的应用场景中。

Description

一种基于干涉的光束轨道角动量谱分析方法与装置
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于干涉的光束轨道角动量谱分析方法与装置。
背景技术
光的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)是激光束的一个全新维度。早在1992年，荷兰科学家Allen等人的研究发现，OAM是具有螺旋波前
Figure BDA0002385098800000011
(l为角量子数，
Figure BDA0002385098800000012
为角向坐标)的涡旋激光束的固有属性，同时光束中每一个光子所携带的OAM的值，为约化普朗克常量
Figure BDA0002385098800000013
的整数倍
Figure BDA0002385098800000014
表明光束的OAM的本征值l可以为任意整数，且不同本征值的OAM成分相互正交，可构成一无穷维希尔伯特空间。携带有OAM的光束的这些独特性质，使得其在多个应用领域展现出巨大的应用前景。例如，利用OAM的正交性可以将模式复用技术引入到传统的光通信系统中，极大地拓展光通信系统的信道容量；携带有OAM的光束的螺旋形波面使得该光束具有旋转多普勒效应，在照射到旋转物体表面时散射光将出现频移，通过该频移可反推出旋转体转速；此外，光束的OAM在激光加工、量子信息、天文等领域都具有重要的应用价值。
一束激光束中可以同时包含有多个不同的OAM成分，而不同OAM成分的强度比重即为光束的OAM谱。不难理解，不同的OAM成分对应于不同的螺旋梯度波面，它们的相互叠加构成了复杂的光波前结构，这表明OAM谱决定了光束的光波前分布。对于不同的应用场景，常常需要不同的OAM分布，例如，在光通信中，需要多个特定的不同OAM叠加以实现良好的模式复用；而在基于OAM的旋转探测系统中，则需要根据光束所包含的OAM成分来反推出待测物体的转速。因此，精确的测量光束的OAM谱对于OAM的实际应用是十分必要的。
国内外学者已经在光束OAM谱的测量方面开展了相关研究工作，所提出的方法可大致分为两类：其一为类似于光谱仪的原理，通过衍射系统将一束激光中的不同OAM成分相互分离，再分别测出各个成分的强度，进而得到OAM谱；其二则为通过模式匹配、旋转多普勒效应、旋转算符分析、衍射场分析等间接得到光束的OAM谱。上述方法虽可实现光束OAM谱的分析和测量，但仍存在局限性，主要体现于：只适用于具有单环结构的光束，对于复杂光场分布结构光束如多环涡旋光束、贝塞尔高斯光束等无能为力；另外测量OAM谱的角量子数范围也极大的受衍射光学器件等的制约，无法实现大角量子数范围的OAM谱探测。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置。
本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法，通过引入一额外的高斯光束作为参考光束，使其与待测光束同轴干涉，通过干涉场的二维光场分布，以及待测光束和参考光束的二维光场分布，可反推出待测光束的复振幅，进而采用螺旋谐波展开的方式直接计算出待测光束的OAM谱。上述分析过程完全按照OAM谱的定义展开，因此该方法适用于任何光束，不受待测光束光场分布的制约。
本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析装置，具备参考光束激光器、扩束器、两个检偏器、液晶相位延迟器、消偏振五五分光棱镜、面阵探测器和主机，其中：
所述参考光束激光器用于产生参考高斯光束；
所述扩束器置于参考光束激光器后方的激光光路中，用于参考光束的扩束；
所述第一个检偏器置于扩束器后方的激光光路中，用于调节参考光束的偏振态；
所述液晶相位延迟器置于第一个检偏器后方的激光光路中，用于为参考光束引入可控的相位延迟；
所述消偏振五五分光棱镜置于液晶相位延迟器后方的激光光路中，用于将参考光束与待测光束合束；
所述第二个检偏器，其主轴方向与第一个检偏器相同，置于消偏振五五分光棱镜之前的待测光束的光路中，用于调节待测光束的偏振态，使其能够与参考光束同轴干涉；
所述面阵探测器置于消偏振五五分光棱镜后方的激光光路中，用于探测待测光束、参考光束和干涉后的光束的光场强度分布；
所述主机用于分析面阵探测器捕获的待测光束、参考光束和干涉后的光束的光场强度分布，并计算待测光束的OAM谱。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所公开的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置，其工作原理完全按照OAM谱的定义进行，因此对任意光场分布的激光束均有效，突破了当前OAM谱测量方法与系统的局限性。
(2)本发明所公开的一种基于干涉的光束OAM谱分析装置，结构简单而稳定，易于小型化，方便携带，能应用于各种不同的应用场景中。
附图说明
图1为本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法的工作原理；
图2为本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析装置，其中，1-参考光束激光器，2-扩束器，3-检偏器，4-液晶相位延迟器，5-消偏振五五分光棱镜，6-检偏器，7-面阵探测器和8-主机；
图3(a)为利用本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置测量不同阶次的单模OAM光束的OAM谱时，面阵探测器捕获的部分阶次单模OAM光束对应的待测光束、参考光束以及干涉后的光束的强度分布；
图3(b)为利用本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置测量不同阶次的单模OAM光束的OAM谱的仿真分析结果与实验分析结果；
图4为为利用本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置测量多OAM模式混合光束的OAM谱的仿真分析结果与实验分析结果；
图5(a)为利用本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置测量多环双OAM模式混合光束的OAM谱时，面阵探测器捕获的不同模式比例下多环光束对应的待测光束的强度分布；
图5(b)为利用本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置测量多环双OAM模式混合光束的OAM谱的仿真分析结果与实验分析结果；
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。
本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法，如图1所示。令待测光束的复振幅分布为E，强度分布为I＝|E|2，参考光束的复振幅为ER，强度分布为IR＝|ER|2。待测光束与参考光束同轴干涉后，干涉场强度分布可表示为：
Icos＝|E+ER|2＝|E|2+|ER|2+2|E||ER|cos(φ-φR)＝I+IR+2|E||ER|cos(φ-φR)
其中，φ和φR分别为待测光束和参考光束的相位。若此时为参考光束引入额外的π/2相位延迟，则干涉场强度分布可表示为：
Figure BDA0002385098800000021
由于高斯光束可以近似看做平面波，所以φR为常数，所以可解得待测光束的复振幅分布为：
Figure BDA0002385098800000031
此即表明通过面阵探测器截取四个不同的强度分布矩阵I，IR，Icos和Isin即可反推出待测光束的复振幅分布。根据轨道角动量谱的定义，对测得的复振幅进行螺旋谐波展开，可得各个OAM成分l的强度比重Cl：
Figure BDA0002385098800000032
此即待测光束的OAM谱。
本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析装置，如图2所示，具备参考光束激光器、扩束器、两个检偏器、液晶相位延迟器、消偏振五五分光棱镜、面阵探测器和主机，其中：所述参考光束激光器用于产生参考高斯光束；所述扩束器置于参考光束激光器后方的光路中，用于参考光束的扩束；所述第一个检偏器置于扩束器后方的光路中，用于调节参考光束的偏振态；所述液晶相位延迟器置于第一个检偏器后方的激光光路中，用于为参考光束引入可控的相位延迟；所述消偏振五五分光棱镜置于液晶相位延迟器后方的激光光路中，用于将参考光束与待测光束合束；所述第二个检偏器，其主轴方向与第一个检偏器相同，置于消偏振五五分光棱镜之前的待测光束的光路中，用于调节待测光束的偏振态，使其能够与参考光束同轴干涉；所述面阵探测器置于消偏振五五分光棱镜后方的激光光路中，用于探测待测光束、参考光束和干涉后的光束的光场强度分布；所述主机用于分析面阵探测器捕获的待测光束、参考光束和干涉后的光束的光场强度分布，并计算待测光束的OAM谱。
下面结合三个实施例，简要介绍本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置。
实施例1：测量不同阶次的单模OAM光束的OAM谱
本实施例中，基于本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置，我们依次对角量子数为-10～+10的单模OAM光束的OAM谱进行了分析测量。图3(a)给出了实验中面阵探测器测得的角量子数l＝-3和l＝8的待测光束I，及其参考光束IR，干涉场强度分布Icos和Isin。图3(b)为仿真分析和实验分析得到的不同阶次的单模OAM光束对应OAM谱，可以看出，实验结果与仿真结果吻合。
实施例2：测量多OAM模式混合光束的OAM谱
本实施例中，我们随机生成了两束不同的多OAM模式混合光束，而后基于本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置测量其OAM谱。图4为实验结果，分别给出了待测光束的OAM谱，通过本发明的技术仿真分析得到的OAM谱和实际实验测得的OAM谱。可以看出，实验测得的结果十分接近真实值，其与真实值间的微小差异由生成待测光束时相位调制不完全引起。而仿真计算结果与真实值相同，进一步证明了本发明的有效性和实用性。
实施例3：测量多环双OAM模式混合光束的OAM谱
本实施例中，为了测试更复杂待测光场分布下本发明的实际性能，我们采用级联相位调制的方式生成了具有三同心环结构(径向量子数为2)的l＝3的OAM光束与单环l＝-2的OAM光束叠加后光束，并基于本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置测量其OAM谱。我们在生成该光束时，通过生成系统中波片的快轴方向θ来控制两个光束的强度比重，分别为cos2θ和sin2θ。图5(a)给出了在θ分别等于0°、14°、30°和44°时面阵探测器捕获待测光束的光场分布。图5(b)给出了不同θ下测得的光束的OAM谱的仿真分析结果和实验分析结果，可以看出随着θ的增加，目标OAM模式l＝-2呈cos2函数递减，目标OAM模式l＝3呈sin2函数递增，与理论预测相符。这进一步证明了本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置对复杂光场的分析能力。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实例而已，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 (2)

1.一种基于干涉的光束轨道角动量谱分析方法，其特征在于：
(1)引入一额外的高斯光束作为参考光束，使其与待测光束同轴干涉，通过面阵探测器分别测量干涉场的光场分布以及待测光束和参考高斯光束的光场分布，来直接计算出待测光束的轨道角动量谱；
(2)若设极坐标为
Figure FDA0002744534470000012
通过面阵探测器捕获的待测光束强度分布矩阵为I、参考高斯光束强度分布矩阵为IR、待测光束与参考高斯光束干涉后光束强度分布矩阵为Icos，和待测光束与引入π/2附加相位延迟后的参考高斯光束干涉后光束强度分布矩阵为Isin，则角量子数为l的轨道角动量成分强度比重Cl满足：
Figure FDA0002744534470000011
依次求出各个不同l值的强度比重，即得到待测光束的轨道角动量谱；
(3)依赖于基于干涉的光束轨道角动量谱分析装置，该装置具备参考高斯光束激光器、扩束器、两个检偏器，液晶相位延迟器、消偏振五五分光棱镜、面阵探测器和主机，其中：
所述参考高斯光束激光器用于产生参考高斯光束；
所述扩束器置于参考高斯光束激光器后方的激光光路中，用于参考高斯光束的扩束；
第一个检偏器置于扩束器后方的激光光路中，用于调节参考高斯光束的偏振态；
所述液晶相位延迟器置于第一个检偏器后方的激光光路中，用于为参考高斯光束引入可控的相位延迟；
所述消偏振五五分光棱镜置于液晶相位延迟器后方的激光光路中，用于将参考高斯光束与待测光束合束；
第二个检偏器，其主轴方向与第一个检偏器相同，置于消偏振五五分光棱镜之前的待测光束的光路中，用于调节待测光束的偏振态，使其能够与参考高斯光束同轴干涉；
所述面阵探测器置于消偏振五五分光棱镜后方的激光光路中，用于探测待测光束、参考高斯光束和干涉后的光束的光场强度分布；
所述主机用于分析面阵探测器捕获的待测光束、参考高斯光束和干涉后的光束的光场强度分布，并计算待测光束的轨道角动量谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法适用于任何激光束，不受待测光束光场分布的制约。
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