CN115047639B - 一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统 - Google Patents

一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能实现光子自旋‑轨道角动量纵向传输分离的系统，包括携带准直扩束功能的对角线(45°)方向线偏振光生成器、任意结构矢量光束的产生系统、透镜以及CCD接收装置，所述矢量光束产生系统中设有数字微镜器件(DMD)，可实现不借助任何特殊加工的光学元件，仅通过单一矢量光束的生成，实现光子自旋‑轨道角动量纵向传输分离，通过灵活数字调控DMD可快速操控目标矢量光场的传输轨迹，从而运用到微小粒子操控等行业，具有价格低廉、刷新速度快、适用范围广、易集成以及调控灵活等特点。

Description

一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及到一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统。
背景技术
近年来，将光场的多个光学自由度(如振幅、相位、频率、时间、空间模式以及偏振态等)结合构造一种多维的空间结构光场，由于其具有诸多新颖独特的物理性质被广泛应用在量子通信、光学计量等领域。其中，矢量光场，一种将空间自由度与偏振自由度以一种不可分离的方式耦合而成的二维空间结构光场，因其具备与经典量子纠缠相类似的性质，备受人们关注。以一对正交偏振态为偏振基底，任一组正交空间模式为空间模式基底，可构建不同种类的矢量光束。矢量光场的矢量性体现在空间中的任意位置与偏振紧密相关，且随着空间分布的不同，偏振态的表现不同。目前，光场的偏振态空间非均匀调制已成为光学领域的一个研究热点。
在微小粒子操控领域，矢量光场独特的动力学特性对于控制微小粒子传输轨迹意义重大。尤其在光束的自由传输过程中，轨道角动量(OAM)以及自旋角动量(SAM)分离特性为多样化操控粒子提供了有效技术途径。2021年《Photonic Research》第9卷第4期发表的《Free space local non-separability dynamics of vector modes》中提出了一种抛物线矢量光束的横向偏振分布随着传输距离的增加呈现空间模式分离，且偏振分布由初始面的均匀线偏振分布随着空间模式分离而逐渐演化为左、右旋圆偏振态的分离。这种横截面正交圆偏振分离的现象与光子自旋霍尔效应类似，为矢量光场在以光子自旋为背景的应用领域打开了局面。然而，在面向纵向控制微粒子方面，现有的矢量光束不能满足灵活操控粒子纵向轨迹的技术需求。因此，开发新型矢量光束、探索其在纵向传输方向的新特性是目前利用矢量光束实现纵向操控微小粒子亟需解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统，能够利用圆艾里涡旋矢量光场的传输特性实现光子自旋-轨道角动量分离。
技术方案
一种基于圆艾里涡旋光场的光子自旋-轨道角动量纵向传输分离系统，包括携带准直扩束功能的对角线方向的线偏振光生成器、任意矢量光束的产生系统、透镜以及CCD接收装置，所述产生系统中设有数字调控光场参数的数字微镜器件DMD。
进一步的，所述线偏振光生成器包括一组准直扩束透镜，所述准直扩束透镜包括焦距为20mm的透镜一、焦距为200mm的透镜二，所述线偏振光生成器还包括激光器。
进一步的，所述线偏振光生成器还包括二分之一波片。
进一步的，所述产生系统包括沃拉斯顿棱镜。
进一步的，所述产生系统还包括四分之一波片，所述产生系统还包括焦距为100mm的透镜三、焦距为100mm的透镜四。
进一步的，所述产生系统还包括数字微镜器件DMD，所述数字微镜器件DMD所加载的全息图包含数字光栅，通过调节光栅系数，可实现左、右旋圆偏振两束光沿同一传输路径传输。
进一步的，所述产生系统所产生的圆艾里涡旋矢量光束表示为：
其中，cosθ、为权重因子，(r,φ)为柱坐标参数，/>和/>为左、右旋圆偏振基失，另外，/>为两个偏振基失之间存在的相位差。与/>作为两正交空间模式基失，分别为携带/>轨道角动量的圆艾里涡旋光束(/>为普朗克常量)。
进一步的，所述圆艾里涡旋光束可表示为：
其中Ai()表示艾里函数；r是半径，r0是光束主环半径；a是截止因子；ω是束腰半径；m是拓扑荷；v是初始发射角参量。
进一步的，圆艾里涡旋矢量光束在不改变光路中任何光学元器件的前提下，通过改变所述数字微镜器件DMD上加载的全息图参数，动态调控目标光束传输轨迹。
进一步的，通过所述数字微镜器件DMD调控所述圆艾里涡旋光束的初始发射角参量，从而操控光子自旋-轨道角动量纵向传输分离轨迹。
进一步的，所述透镜将所述产生系统产生的光束汇聚到所述CCD接收装置中，通过记录所述光束传输过程中的光强，从而实现所述光束传输轨迹的观察。
进一步的，利用一组45°四分之一波片与0°二分之一波片放置于所述CCD接收装置前对光束进行偏振检测，当光强全部透射时可判断此时光束为右旋圆偏振；反之，没有光强透过时可判断此时光束为左旋圆偏振。
进一步的，圆艾里涡旋矢量光束在不改变光路的前提下，仅通过改变所述数字微镜器件DMD上加载的圆艾里涡旋矢量光束中的发射角参数，实现调控目标光束传输过程中光子自旋-轨道角动量分离程度。
进一步的，通过对目标光束传输过程中的偏振态的检测，本发明系统可实现光子自旋-轨道角动量的纵向传输分离。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
不需要加工具有特殊结构的材料，具有适用范围广、灵活性高、数字化操控简单等特点；除此之外，本发明结构简单、价格成本低，能够在不借助任何光学元器件的前提下，计算机操控DMD改变目标矢量光束参数即可灵活操控光子自旋-轨道角动量分离轨迹。
附图说明
图1为本发明一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统的结构示意图；
图2为圆艾里涡旋矢量光场纵向传输侧面图；
图3为圆艾里涡旋矢量光场在初始平面(a)、第一聚焦面(b)以及第二聚焦面(c)的偏振态分布图。
附图标记
线偏振光生成器A、产生系统B、透镜C、CCD接收装置D、激光器1、透镜一2、透镜二3、二分之一波片4、沃拉斯顿棱镜5、四分之一波片6、透镜三7、透镜四8、数字微镜器件DMD9。
具体实施方式
为更好地说明阐述本发明内容，下面结合附图和实施实例进行展开说明：
有图1-图3所示，一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统，包括携带准直扩束功能的对角线(45°)方向的线偏振光生成器A、任意矢量光束的产生系统B、透镜C以及CCD接收装置D，所述产生系统B中设有数字调控光场参数的数字微镜器件DMD9。
进一步的，所述线偏振光生成器A包括一组准直扩束透镜，所述准直扩束透镜包括焦距为20mm的透镜一2、焦距为200mm的透镜二3，所述准直扩束透镜可实现光束准直且尺寸十倍扩大，所述线偏振光生成器A还包括激光器1。
进一步的，所述线偏振光生成器A还包括二分之一波片4，用于调整输出光束的偏振态为对角线45度。
进一步的，所述产生系统B包括沃拉斯顿棱镜5，将+45°线偏振光沿水平、竖直两个偏振方向等光强投影成两束，且两束具有正交偏振态的光束传输夹角约为1.5°。
进一步的，所述产生系统B还包括四分之一波片6，用于改变水平、竖直线偏振态分别为左旋、右旋圆偏振，所述产生系统B还包括焦距为100mm的透镜三7、焦距为100mm的透镜四8。
进一步的，所述产生系统B还包括数字微镜器件DMD9，所述数字微镜器件DMD9所加载的全息图包含数字光栅，通过调节光栅系数，可实现左、右旋圆偏振两束光沿同一传输路径传输。
进一步的，所述产生系统B所生成的圆艾里涡旋矢量光束表示为：
其中，cosθ、为权重因子，(r,φ)为柱坐标参数，/>和/>为左、右旋圆偏振基失，另外，/>为两个偏振基失之间存在的相位差，与/>作为两正交空间模式基失，分别为携带/>轨道角动量的圆艾里涡旋光束，/>为普朗克常量。
进一步的，所述圆艾里涡旋光束可表示为：
其中Ai()表示艾里函数；r是半径，r0是光束主环半径；a是截止因子；ω是束腰半径；m是拓扑荷；v是初始发射角参量。
进一步的，圆艾里涡旋光场可通过所述数字微镜器件DMD9，在不移动任何光学元器件的前提下，通过计算机对目标光场进行调控，从而实现传输轨迹动态调控。
进一步的，通过所述数字微镜器件DMD调控所述圆艾里涡旋光束的初始发射角参量，从而操控光子自旋-轨道角动量纵向传输分离轨迹。
进一步的，所述透镜C将所述产生系统B产生的光束汇聚到所述CCD接收装置D中，通过记录所述光束传输过程中的光强，从而实现所述光束传输轨迹的观察。
进一步的，利用一组45°四分之一波片与0°二分之一波片放置于所述CCD接收装置D前对光束进行偏振检测，当光强全部透射时可判断此时光束为右旋圆偏振；反之，没有光强透过时可判断此时光束为左旋圆偏振。
进一步的，所述圆艾里涡旋矢量光束再不改变光路的前提下，仅通过改变所述数字微镜器件DMD9上加载的所述圆艾里涡旋矢量光束中的发射角参数，可实现调控光束传输过程中光子自旋-轨道角动量分离程度。
进一步的，通过对光束传输过程中的偏振态的检测，可实现光子自旋-轨道角动量的纵向传输分离。
具体地，光源为532nm的激光源，将其调制成圆艾里涡旋矢量光场可以实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离；
图2表明了圆艾里涡旋矢量光场的纵向传输侧面图，随着传输距离的增加，矢量光束先后聚焦至不同平面，拓扑荷m＝1，发射角v＝3且偏振态为右旋圆偏振的光(即/>首先聚焦至第一平面，随后拓扑荷m＝-1，发射角v＝0.1，且偏振态为左旋圆偏振的光(即/>)聚焦至第二平面，从而实现了光子自旋-轨道角动量纵向传输分离；
图3表明了圆艾里涡旋矢量光场分别在初始平面、第一聚焦平面以及第二聚焦平面的偏振分布图，其中线段表示线偏振，右箭头的圆圈表示右旋圆偏振，右箭头的圆圈表示左旋圆偏振，随着传输距离的增加，圆艾里涡旋矢量光束的偏振状态由初始的均匀分布的线偏振，在第一聚焦平面演化为右旋圆偏振，而后，在第二聚焦平面，偏振态转变为左旋圆偏振，从而实现了光子自旋纵向传输分离。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；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精神与范围。

Claims (6)

1.一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统，其特征在于：包括携带准直扩束功能的对角线方向的线偏振光生成器(A)、任意矢量光束的产生系统(B)、透镜(C)以及CCD接收装置(D)，所述线偏振光生成器(A)包括一组准直扩束透镜、激光器(1)、用于调整输出光束的偏振态为对角线45度的二分之一波片(4)，所述准直扩束透镜包括焦距为20mm的透镜一(2)、焦距为200mm的透镜二(3)，所述产生系统(B)包括沃拉斯顿棱镜(5)、用于改变光束偏振状态的四分之一波片(6)、焦距为100mm的透镜三(7)、焦距为100mm的透镜四(8)、数字调控光场参数的数字微镜器件DMD(9)；
所述产生系统(B)所生成的圆艾里涡旋矢量光束表示为：
其中，cosθ、sinθ为权重因子，(r，φ)为柱坐标参数，/>和/>为左、右旋圆偏振基失，另外，/>为两个偏振基失之间存在的相位差，与/>作为两正交空间模式基失，分别为携带/>轨道角动量的圆艾里涡旋光束，/>为普朗克常量；
通过选取两空间模式与/>中不同的发射角v1，v2，能够实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离。
2.根据权利要求1所述的一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统，其特征在于：所述圆艾里涡旋光束可表示为：
其中Ai()表示艾里函数；r是半径，r0是光束主环半径；a是截止因子；ω是束腰半径；m是拓扑荷；v是初始发射角参量。
3.根据权利要求2所述的一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统，其特征在于：圆艾里涡旋光场可通过所述数字微镜器件DMD(9)，在不移动任何光学元器件的前提下，通过计算机对目标光场进行调控，从而实现传输轨迹动态调控。
4.根据权利要求3所述的一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统，其特征在于：利用一组45°四分之一波片与0°二分之一波片放置于所述CCD接收装置(D)前对光束进行偏振检测，当光强全部透射时可判断此时光束为右旋圆偏振；反之，没有光强透过时可判断此时光束为左旋圆偏振。
5.根据权利要求4所述的一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统，其特征在于：所述透镜(C)将所述产生系统(B)产生的光束汇聚到所述CCD接收装置(D)中，通过记录所述光束传输过程中的光强，从而实现所述光束传输轨迹的观察。
6.根据权利要求5所述的一种能实现光子自旋-轨道角动量纵向传输分离的系统，其特征在于：在不改变系统光路的前提下，可以通过圆艾里涡旋矢量光束不同参数的数字调控，灵活操控自旋-轨道角动量纵向分离轨迹。
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