CN112461381A - 一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置 - Google Patents

一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置。实施步骤是：用计算机制备全息图并加载至空间光调制器；激光经过空间光调制器调制产生涡旋光后反射，选取反射光束的一级衍射光并射入一个分束器，分束器将涡旋光束分成两束，其中一束经过两个四分之一波片，另一束经过一个道威棱镜；再将这两束光通过另一个分束器合束，构成干涉回路；通过控制两个四分之一波片快轴与线偏振光之间的角度，分别在两个四分之一波片所在的光路中引入0相位和引入
Figure DDA0002769431030000011
相位时使用光束分析仪拍照，得到两张干涉图；通过MATLAB软件将两张干涉图相减并对相减后的光强差进行角向傅里叶变换，得到涡旋光束中轨道角动量的谱，谱的最高峰的位置即为光束中轨道角动量；本发明提供的装置既可以检测完全相干涡旋光的轨道角动量，也可以检测部分相干涡旋光的轨道角动量，属于光通信领域。

Description

一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置
技术领域
本发明提供一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置。该装置可以测量涡旋光束中的轨道角动量，以谱的形式得到光束中所携带的拓扑荷，可应用于光通信领域。
背景技术
光学涡旋是指一类具有螺旋相位波前的特殊光场，其相位分布函数中常含有与旋转方位角θ成正比的一项:exp(ilθ)，l表示拓扑荷。在近轴传播条件下，光学涡旋中的每个光子都具有
Figure BDA0002769431010000011
的轨道角动量，其中
Figure BDA0002769431010000012
表示普朗克常量。
利用涡旋光束作为信息载体是当前一个新兴的研究自由空间光通信技术的方向。普通光束的光子只具有自旋角动量，自旋角动量可以表示成左旋和右旋偏振构成的二维基坐标，常用来二进制编码。与之相比，光学涡旋既携带自旋角动量也携带轨道角动量，光子轨道角动量具有无限多个本征态，理论上一个轨道角动量符号可以携带无穷大的信息量，因此理论上单个光子的轨道角动量可以进行任意N进制编码，这就极大地提高了自由空间光通信的信息容量。所以检测涡旋光束中的轨道角动量对于光通信领域的发展至关重要。
当涡旋光束反射一次，光束中的轨道角动量的相位分布从exp(ilθ)变为exp(-ilθ)(初相位为0时)；当相位分布为exp(ilθ)的涡旋光束和相位分布为exp(-ilθ)的涡旋光束发生干涉时，涡旋光束的呈环形分布的光强由于干涉相长相消，产生花瓣状的干涉图案，花瓣的瓣数是拓扑荷数的二倍，即2l。反射镜和道威棱镜的作用是实现涡旋光束轨道角动量的方位角从φ变为-φ。
文献[Girish,Kulkarni,Rishabh,et al.Single-shot measurement of theorbital-angular -momentum spectrum of light[J].Nature Communications,2017.doi:10.1038/s41467-017-01215-x]报道了一种测量涡旋光束中轨道角动量的方法，可以测量涡旋光束中轨道角动量的大小。然而，涡旋光束中的轨道角动量有正负之分，测量轨道角动量中拓扑荷l的大小和正负，是目前尚未实现的问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置。本发明提供的装置通过数字技术产生涡旋光，通过改进的马赫增德尔干涉仪的方法得到涡旋光束中的轨道角动量的反对称谱。谱中最高峰的位置表示光束中的拓扑荷数l，可以区分拓扑荷的正负。本装置既可以测量完全相干光的轨道角动量，也可以测量部分相干光的轨道角动量。
实现本发明目的的技术方案是提供一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置，包括以下步骤：
(1)计算机生成用于产生完全相干涡旋光的单张的全息图以及用于产生部分相干光的全息图序列；将计算机与空间光调制器连接；将用于产生完全相干涡旋光的全息图加载至所述空间光调制器；打开激光器产生波长稳定的线偏振光，调整所述激光器出射光的偏振面使其与空间光调制器匹配；将所述激光束以小角度射入所述空间光调制器的液晶屏，所述空间光调制器将激光束调制产生完全相干涡旋光后反射；使用小孔光阑选取所述空间光调制器反射光的一级衍射光；
(2)将所述一级衍射光照射进入分束器；所述分束器将光束分为两束，一束是所述分束器的反射光，另一束是所述分束器的透射光；所述分束器的反射光经过两个四分之一波片后经过反射镜反射，使该束光与所述分束器的透射光平行；所述分束器的透射光经过道威棱镜后通过反射镜反射，使该束光与所述分束器的反射光平行；最后，将两束光使用另一个分束器进行合束；通过光束分析仪拍摄干涉图；
(3)通过调节两个四分之一波片快轴和光束线偏振方向之间的角度，分别在两个四分之一波片所在的光路中引入0相位和引入
Figure BDA0002769431010000021
相位时使用所述光束分析仪拍照，得到两张干涉图；
(4)使用MATLAB软件进行分析，将两张干涉图相减后，通过对相减后的光强差进行角向傅里叶变换可以测得涡旋光束中轨道角动量谱，谱的最高峰的位置即为光束中轨道角动量。
(5)在所述空间光调制器中加载用于产生部分相干涡旋光束的全息图序列，并将所述全息图序列动态播放，通过采用与上述相同的方法测出部分相干涡旋光束中的轨道角动量。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置。本发明提出的装置既可以检测完全相干的涡旋光束中的轨道角动量，也可以检测部分相干涡旋光束中的轨道角动量，而且可以区分轨道角动量中拓扑荷的正负。
2.本发明所采用的装置光路相对简单，容易实现，在光通信等领域具有应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详尽说明，以下实施例是对本发明的解释，也是本发明较好的应用形式，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，它是本实施例提供的一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置的结构示意图：它包括激光器1；空间光调制器2；计算机3；小孔光阑4；分束器5；四分之一波片6；四分之一波片7；反射镜8；道威棱镜9；反射镜10；分束器11；光束分析仪12；计算机13。
本实施例中，在计算机3中制备用于产生完全相干涡旋光的单张的全息图和产生部分相干涡旋光的全息图序列；将计算机3与空间光调制器2连接；将用于产生完全相干涡旋光的单张全息图加载至所述空间光调制器2；打开激光器1产生波长稳定的线偏振光，调整所述激光器1出射光的偏振面使其与所述空间光调制器2匹配；将所述激光束射入所述空间光调制器2的液晶屏，所述空间光调制器2将激光束调制产生完全相干的涡旋光后反射；使用小孔光阑4选取所述空间光调制器2反射光束中的一级衍射光；将所述一级衍射光照射进入分束器5，所述分束器5将光束分为两束，一束是所述分束器5的反射光，另一束是所述分束器5的透射光；所述分束器5的反射光经过四分之一波片6和四分之一波片7后经过反射镜8反射，使该束光与所述分束器的透射光平行；所述分束器5的透射光经过道威棱镜9后经过反射镜10反射，使该束光与所述分束器5的反射光平行；将所述反射镜8的反射光和所述反射镜10的反射光都射入分束器11的中心一点；所述分束器11将所述反射镜8的反射光透射，将所述反射镜10的反射光反射，使得两束光完全合束，形成干涉；将干涉后的光射入光束分析仪12；将所述四分之一波片6的快轴与光束的线偏振方向成θ角，使光束从线偏振光变为右旋椭圆偏振光，所述四分之一波片7的快轴与光束线偏振方向成
Figure BDA0002769431010000031
角，使光束从右旋椭圆偏振变为线偏振光，此时光束的相位没有发生变化，通过所述计算机13控制所述光束分析仪12拍照得到一张干涉光强图；将所述四分之一波片6的快轴与光束的线偏振方向成θ角，所述四分之一波片7的快轴与光束线偏振方向成
Figure BDA0002769431010000032
角，此时光束中引入2β的动态相位，取
Figure BDA0002769431010000033
在该光路中引入
Figure BDA0002769431010000034
相位差，通过所述计算机13控制所述光束分析仪12拍照得到一张干涉光强图；将两次拍照得到的干涉光强图相减，通过对相减后的光强差进行角向傅里叶变换得到涡旋光束中轨道角动量谱，谱的最高峰的位置即为光束中轨道角动量；将用于产生部分相干涡旋光的全息图加载至所述空间光调制器2中并以动态帧率播放产生部分相干涡旋光，通过采用与上述相同的方法来检测部分相干涡旋光中的轨道角动量。
本实施例中，为实现在所述分束器11中更好的合束干涉,改进的马赫增的干涉仪的两个干涉臂的臂长应该相等且小于30厘米。

Claims (2)

1.一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置由激光器(1)，空间光调制器(2)，计算机(3)，小孔光阑(4)，分束器(5)，四分之一波片(6)，四分之一波片(7)，反射镜(8)，道威棱镜(9)，反射镜(10)，分束器(11)，光束分析仪(12)，计算机(13)组成；其特征在于：
(A)在计算机(3)中制备用于产生涡旋光束的全息图；将所述计算机(3)与空间光调制器(2)连接，并将制备的全息图加载至所述空间光调制器(2)中；打开激光器(1)产生波长稳定的线偏振光，调整所述激光器(1)出射光的偏振面使其与空间光调制器(2)匹配；将所述激光器(1)的出射光束射入所述空间光调制器(2)的液晶屏；使用小孔光阑(4)选取所述空间光调制器(2)的反射光中的一级衍射光；
(B)将此一级衍射光射入分束器(5)，所述分束器(5)将光束分为两束，其中一束是所述分束器(5)的反射光，一束是所述分束器(5)的透射光；将所述分束器(5)反射光经过四分之一波片(6)和四分之一波片(7)后射入反射镜(8)反射，所述反射镜(8)的反射光与所述分束器(5)的透射光平行；将所述分束器(6)的透射光经过道威棱镜(9)后射入反射镜(10)反射，所述反射镜(10)的反射光与所述分束器(5)的反射光平行；将所述反射镜(8)和所述反射镜(10)的反射光都射入分束器(11)，在所述分束器(11)内合束，产生干涉；将所述四分之一波片(6)的快轴与光束的线偏振方向成θ角，所述四分之一波片(7)的快轴与光束线偏振方向成
Figure FDA0002769428000000021
角，此时光束中相位没有发生变化，通过所述计算机(13)控制所述光束分析仪(12)拍照得到一张干涉光强图；将所述四分之一波片(6)的快轴与光束的线偏振方向成θ角，所述四分之一波片(7)的快轴与光束线偏振方向成
Figure FDA0002769428000000022
角，此时光束中引入2β的相位，取
Figure FDA0002769428000000023
在此束光中引入
Figure FDA0002769428000000024
的相位，通过所述计算机(13)控制所述光束分析仪(12)拍照得到一张干涉光强图；
(C)通过MATLAB软件将拍照得到两张干涉图相减并对相减后的光强差进行角向傅里叶变换，得到涡旋光束中轨道角动量的谱，谱的最高峰的位置即为光束中轨道角动量；通过将用于产生部分相干涡旋光的全息图加载至所述空间光调制器(2)中并以动态帧率播放产生部分相干涡旋光，采用和检测完全相干涡旋光的轨道角动量相同的方法可以检测部分相干涡旋光中的轨道角动量。
2.根据权利要求1所述的一种测量涡旋光束轨道角动量谱的装置，其特征在于：装置中所述分束器(5)和所述分束器(11)之间的干涉回路的两个干涉臂的臂长应相等且小于30cm。
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Application publication date: 20210309

Assignee: Xinchang Huandi Technology Co.,Ltd.

Assignor: China Jiliang University

Contract record no.: X2023330000130

Denomination of invention: A device for measuring the orbital angular momentum spectrum of vortex beams

Granted publication date: 20220311

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Record date: 20230311

Application publication date: 20210309

Assignee: Shaoxing Jienan Technology Co.,Ltd.

Assignor: China Jiliang University

Contract record no.: X2023330000128

Denomination of invention: A device for measuring the orbital angular momentum spectrum of vortex beams

Granted publication date: 20220311

License type: Common License

Record date: 20230311

Application publication date: 20210309

Assignee: Xinchang neodymium Ru Agricultural Technology Co.,Ltd.

Assignor: China Jiliang University

Contract record no.: X2023330000134

Denomination of invention: A device for measuring the orbital angular momentum spectrum of vortex beams

Granted publication date: 20220311

License type: Common License

Record date: 20230311

Application publication date: 20210309

Assignee: Xinchang County niukan Agricultural Development Co.,Ltd.

Assignor: China Jiliang University

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Granted publication date: 20220311

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Application publication date: 20210309

Assignee: XINCHANG COUNTY XIAOBUDIAN AGRICULTURAL DEVELOPMENT Co.,Ltd.

Assignor: China Jiliang University

Contract record no.: X2023330000201

Denomination of invention: A Device for Measuring Orbital angular momentum Spectrum of Vortex Beams

Granted publication date: 20220311

License type: Common License

Record date: 20230329

Application publication date: 20210309

Assignee: Shaoxing Yuanyi Technology Co.,Ltd.

Assignor: China Jiliang University

Contract record no.: X2023330000202

Denomination of invention: A Device for Measuring Orbital angular momentum Spectrum of Vortex Beams

Granted publication date: 20220311

License type: Common License

Record date: 20230329

Application publication date: 20210309

Assignee: Xinchang County facheng Agricultural Development Co.,Ltd.

Assignor: China Jiliang University

Contract record no.: X2023330000203

Denomination of invention: A Device for Measuring Orbital angular momentum Spectrum of Vortex Beams

Granted publication date: 20220311

License type: Common License

Record date: 20230329

Application publication date: 20210309

Assignee: Xinchang Daochong Pet Products Co.,Ltd.

Assignor: China Jiliang University

Contract record no.: X2023330000204

Denomination of invention: A Device for Measuring Orbital angular momentum Spectrum of Vortex Beams

Granted publication date: 20220311

License type: Common License

Record date: 20230329

TR01 Transfer of patent right
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Effective date of registration: 20231206

Address after: Room 407-10, floor 4, building 2, Haichuang science and technology center, Cangqian street, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province, 311100

Patentee after: Zhejiang Zhiduo Network Technology Co.,Ltd.

Address before: 310018 China Metrology University, 258 learning yuan street, Hangzhou, Zhejiang

Patentee before: China Jiliang University