CN116295844A - 一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置及方法 - Google Patents

一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置及方法，属于光量子态调控与检测技术领域，本发明为解决现有单个装置中无法同步重构出光模式的偏振态和轨道角动量信息问题。本发明方案：连续激光器发射的连续光波经处理通过分束镜到达偏振分束镜；平行光经偏振分束镜被分为两束光，第一光束经空间光调制器、第二半波片、两级反射镜返回偏振分束镜反射产生相反符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态；第二光束与第一光束共路反向传播，产生水平线偏振态，并入射到空间光调制器上产生正符号轨道角动量阶数的水平偏振态，两光束耦合传播；两光束经分束镜反射，经过第一四分之一波片产生任意偏振矢量光模式，实现同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量。

Description

一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置及方法
技术领域
本发明涉及在单个装置中同步重构出光模式的偏振态和轨道角动量信息技术，属于光量子态调控与检测技术领域。
背景技术
矢量光是一种新型的具有非均匀偏振态的结构光。由于其新颖的空间模式和与位置相关的偏振态特性而受到研究者们的普遍青睐，并广泛地应用于光学超分辨成像，光学捕获与操控，光通信以及光学计量等领域。上述应用通常得益于对矢量光模式的强度、偏振态以及轨道角动量的精确检测。现有的光学模式检测技术能够直接获取模式的强度信息，但无法直接检测其轨道角动量大小。尽管目前已有的技术可以对矢量光模式的偏振态进行分时重构，但迄今为止还无法在单个装置中同步重构出光模式的偏振态和轨道角动量信息。因此，如何高效且直接的利用光子的物理自由度在一套装置中同时重构出矢量光模式的偏振态和轨道角动量信息，是亟需解决的难题并对光场的调控和检测至关重要。
发明内容
针对现有单个装置中无法同步重构出光模式的偏振态和轨道角动量信息问题，本发明提供一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置及方法。
本发明所述一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置，包括连续激光器1、显微物镜2、单模光纤3、分束镜6、偏振分束镜7、空间光调制器8、第二半波片9、第一反射镜10、第二反射镜11、第一四分之一波片12、第二线偏振片13、第二四分之一波片14和探测装置15，所述连续激光器1发射的连续光波通过显微物镜2耦合光波进入单模光纤3；经过单模光纤3选模并输出基模高斯光；该模式光束通过分束镜6到达偏振分束镜7；平行光经偏振分束镜7被分为第一光束和第二光束两束光，其中第一光束经空间光调制器8后产生正符号轨道角动量阶数的水平线偏振态；经第二半波片9后产生相同符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态；经第一反射镜10后产生相反符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态，经第二反射镜11后产生相同符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态，返回偏振分束镜7反射产生相反符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态；其中第二光束与第一光束共路反向传播，第二光束经第二反射镜11和第一反射镜10再经过第二半波片9后产生水平线偏振态，并入射到空间光调制器上8产生正符号轨道角动量阶数的水平偏振态，随后经偏振分束镜7与第一光束耦合传播；两光束经分束镜6反射，再经过第一四分之一波片12产生任意偏振矢量光模式；产生的矢量光模式经过第二线偏振片13和第二四分之一波片14后被探测装置15收集，以获取重构矢量光模式偏振态和轨道角动量。
优选地，所述连续激光器1采用的光源为波长为532nm，空间光调制器8为反射式空间光调制器。
优选地，还包括第一线偏振片4和第一半波片5，所述第一线偏振片4和第一半波片5依次设置在单模光纤的出射端，用于控制入射光模式的偏振态和发射光功率。
优选地，所述探测装置15选用光电耦合探测器CCD。
优选地，还包括计算机16，用于获取同步重构的矢量光模式偏振态分布、相位分布以及轨道角动量大小并显示。
本发明还提供另一种技术方案：一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的方法，该方法基于前述装置实现，该方法为：
连续激光器1发射的连续光波通过显微物镜2耦合光波进入单模光纤3；经过单模光纤3选模并输出基模高斯光；基模高斯平行光经第一线偏振片4输出水平线偏振的基模高斯光场，再经与主轴成22.5°的第一半波片5产生45°方向偏振的基模高斯光模式，该模式经偏振分束镜7分为第一光束和第二光束两束光，其中第一光束为水平偏振基模高斯光，第二光束为垂直偏振基模高斯光；
首先对水平偏振基模高斯光而言，经过加载+l阶轨道角动量的空间光调制器8调制后产生具有+l阶轨道角动量的水平偏振态；将上述光量子态经过与主轴成45°角度的第二半波片9产生具有+l阶轨道角动量的垂直偏振态；该光场经过第一反射镜10产生具有-l阶轨道角动量的垂直偏振态，再经过第二反射镜11产生具有+l阶轨道角动量的垂直偏振态后，到达偏振分束镜7再次反射产生具有-l阶轨道角动量的垂直偏振态；
其次对垂直偏振基模高斯光而言，经过第一反射镜10和第二反射镜11后光模式的偏振态无变化，再经过第二半波片9后产生了水平偏振基模高斯光；上述光量子态经过加载相同轨道角动量阶数的空间光调制器8后，产生了具有+l阶轨道角动量的水平偏振态；
上述两个光量子态同时经过偏振分束镜7耦合并传播，经分束镜6反射后进入第一四分之一波片12，产生了具有+l阶轨道角动量的左旋圆偏振态和具有-l阶轨道角动量的右旋圆偏振态并叠加，从而构建出具有任意轨道角动量阶数的矢量光模式：
Figure BDA0004134317660000031
其中，|l>表示空间光调制器产生的轨道角动量态，正‘+’和负‘-’号表示产生轨道角动量的方向；|L>和|R>分别指经过第一四分之一波片12产生的左旋圆偏振态和右旋圆偏振态；运算符号
Figure BDA0004134317660000032
表示张量积。
优选地，对具有任意轨道角动量阶数的矢量光模式进行收集并处理，同步重构的矢量光模式的偏振态和轨道角动量大小，具体过程为：
具有任意轨道角动量阶数的矢量光模式经过第二线偏振片13调节偏振方向，再经过第二四分之一波片14调控模式的偏振态，调节后的矢量光模式作为重构的矢量光模式：
Figure BDA0004134317660000033
式中χ为左旋和右旋圆偏振态两正交分量的权重因子，ψ控制两正交偏振分量的相位延迟；
重构矢量光模式的偏振态分布为：
S0＝I0
S1＝2IH-S0
S2＝2ID-S0
S3＝2IR-S0
其中，S0、S1、S2和S3为偏振态分布的四个斯托克斯参量，I0、IH、ID和IR分别表示通过光电耦合探测器CCD的总光强、第二线偏振片13处于0°时的光强、第二线偏振片13处于45°时的光强、以及结合第二线偏振片13与第二四分之一波片14成45°时测量的光强；上述光强由光电耦合探测器CCD收集；
重构矢量光模式的相位分布Φ为：
Φ＝S1+iS2。
本发明的有益效果：本发明提供了一种同步重构矢量光模式的偏振态分布和轨道角动量的装置和方法，通过偏振分束镜、空间光调制器、半波片以及四分之一波片实现了任意矢量光模式的构建、传播以及调控，将传统的单一偏振态可重构改进为任意矢量光模式偏振态和轨道角动量联合可重建，为光场调控和光学检测系统增加了功能，提升了检测效率。本发明可以用于研究实现任意矢量光模式的相位和偏振分布联合重构、探索新型矢量光模式的新奇偏振特征和新颖相位特性以及剖析任意矢量光模式下自旋-轨道相互作用的微观机制。此外，基于斯托克斯偏振测量技术，本发明研究了一束任意偏振的的矢量光模式经过斯托克斯参量检测系统后，其光模式、偏振态分布、相位分布以及轨道角动量大小。
附图说明
图1本发明实施例提供的一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量装置的光路原理图；
图2本发明实施例中理论模拟的1阶、2阶、3阶、5阶和10阶的矢量光模式分布叠加径向偏振态和角向偏振态分布情况，图2(a)为1阶矢量光叠加径向偏振态，图2(b)为2阶矢量光叠加径向偏振态，图2(c)为3阶矢量光叠加径向偏振态，图2(d)为5阶矢量光叠加径向偏振态，图2(10)为1阶矢量光叠加径向偏振态，图2(f)为1阶矢量光叠加角向偏振态，图2(g)为2阶矢量光叠加角向偏振态，图2(h)为3阶矢量光叠加角向偏振态，图2(i)为5阶矢量光叠加角向偏振态，图2(j)为10阶矢量光叠加角向偏振态；
图3本发明实施例中理论模拟的1阶径向偏振矢量光模式的斯托克斯参量分布；其中图3(a)为参量S0的分布，图3(b)为参量S1的分布，图3(c)为参量S2的分布，图3(d)为参量S3的分布；
图4本发明实施例中理论模拟的通过斯托克斯参量重构出1阶径向偏振矢量模式偏振态分布和相位分布；其中图4(a)为1阶径向偏振矢量模式偏振态分布，图4(b)为相位分布；
图5本发明实施例中理论模拟的5阶径向偏振矢量光模式的斯托克斯参量分布；其中图5(a)为参量S0的分布，图5(b)为参量S1的分布，图5(c)为参量S2的分布，图5(d)为参量S3的分布；
图6本发明实施例中理论模拟的通过斯托克斯参量重构出5阶径向偏振矢量光模式偏振态分布和相位分布；其中图6(a)为5阶径向偏振矢量模式偏振态分布，图6(b)为相位分布；
图7本发明实施例中实验验证1阶径向偏振矢量光模式的斯托克斯参量分布情况；其中图7(a)为参量S0的分布，图7(b)为参量S1的分布，图7(c)为参量S2的分布，图7(d)为参量S3的分布；
图8本发明实施例中实验重建1阶径向偏振矢量模式偏振态分布和相位分布；其中图8(a)为5阶径向偏振矢量模式偏振态分布，图8(b)为相位分布。
图中：1、连续激光器，2、显微物镜，3、单模光纤，4、第一线偏振片，5、第一半波片，6、分束镜，7、偏振分束镜，8、空间光调制器，9、第二半波片，10、第一反射镜，11、第二反射镜，12、第一四分之一波片，13、第二线偏振片，14、第二四分之一波片，15、探测装置，16、计算机。
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它实施例，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。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置，包括连续激光器1、显微物镜2、单模光纤3、分束镜6、偏振分束镜7、空间光调制器8、第二半波片9、第一反射镜10、第二反射镜11、第一四分之一波片12、第二线偏振片13、第二四分之一波片14和探测装置15，所述连续激光器1发射的连续光波通过显微物镜2耦合光波进入单模光纤3；经过单模光纤3选模并输出基模高斯光；该模式光束通过分束镜6到达偏振分束镜7；平行光经偏振分束镜7被分为第一光束和第二光束两束光，其中第一光束经空间光调制器8后产生正符号轨道角动量阶数的水平线偏振态；经第二半波片9后产生相同符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态；经第一反射镜10后产生相反符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态，经第二反射镜11后产生相同符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态，返回偏振分束镜7反射产生相反符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态；其中第二光束与第一光束共路反向传播，第二光束经第二反射镜11和第一反射镜10再经过第二半波片9后产生水平线偏振态，并入射到空间光调制器上8产生正符号轨道角动量阶数的水平偏振态，随后经偏振分束镜7与第一光束耦合传播；两光束经分束镜6反射，再经过第一四分之一波片12产生任意偏振矢量光模式；产生的矢量光模式经过第二线偏振片13和第二四分之一波片14后被探测装置15收集，以获取重构矢量光模式偏振态和轨道角动量。在计算机16中获取同步重构的矢量光模式偏振态分布、相位分布以及轨道角动量大小并显示。
其中，空间光调制器8用于对入射光的振幅和相位结构进行联合编码产生轨道角动量模式；被调制的轨道角动量通过偏振分束镜7和第一半波片9的配合使用，从而产生任意轨道角动量阶数的矢量光模式；第二线偏振片13和第二四分之一波片14配合使用，用于同步重构矢量光模式的偏振态和相位分布以及轨道角动量大小；第一线偏振片4和第一半波片5依次设置在单模光纤的出射端，用于控制入射光模式的偏振态和发射光功率。第一线偏振片4将基模高斯平行光变成水平偏振的线偏振光，再经第一半波片5改变其偏振方向，为后续分束做准备。
具体地，所述探测装置15为光电耦合探测器CCD。所述连续激光器1采用的光源波长为532nm，空间光调制器8为反射式空间光调制器。第一四分之一波片12具体为用于将混合的具有相反符号轨道角动量阶数的水平线偏振态和垂直线偏振态转变为具有相反符号轨道角动量阶数的右旋圆偏振态和左旋圆偏振态的叠加，从而产生任意可调的矢量光模式。光束传播到第二线偏振片13用于调控矢量光模式的偏振方向；第二四分之一波片14用于调控矢量光模式的偏振态。第二线偏振片13和第二四分之一波片14的联合调控用于同步重构矢量光模式的偏振态和轨道角动量大小。调控后的模式被光电探测装置15收集，从而在个人电脑端清晰的显示同步重构的矢量光模式的偏振态和轨道角动量大小。
具体实施方式二：下面结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的方法，该方法基于实施方式一所述装置实现。
本发明还提供了一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的方法，采用所述的同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置实现，通过空间光调制器控制矢量光模式的轨道角动量阶数，通过第二线偏振片13改变矢量光模式的偏振方向，通过第二四分之一波片14控制矢量光模式的偏振态，基于斯托克斯偏振测量技术同步重构矢量光模式的偏振态分布和轨道角动量大小。
本发明实基于斯托克斯偏振测量技术，研究了任意矢量光模式的偏振态和轨道角动量大小。以线偏振的连续激光器(波长532nm)为光模式源，基于空间光调制器复振幅调制编码光束的轨道角动量阶数，进行矢量光模式调控。
本实施方式所述一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的方法为：
连续激光器1发射的连续光波通过显微物镜2耦合光波进入单模光纤3；经过单模光纤3选模并输出基模高斯光；基模高斯平行光经第一线偏振片4输出水平线偏振的基模高斯光场，再经与主轴成22.5°的第一半波片5产生45°方向偏振的基模高斯光模式，该模式经偏振分束镜7分为第一光束和第二光束两束光，其中第一光束为水平偏振基模高斯光，第二光束为垂直偏振基模高斯光；
首先对水平偏振基模高斯光而言，经过加载+l阶轨道角动量的空间光调制器8调制后产生具有+l阶轨道角动量的水平偏振态；将上述光量子态经过与主轴成45°角度的第二半波片9产生具有+l阶轨道角动量的垂直偏振态；该光场经过第一反射镜10产生具有-l阶轨道角动量的垂直偏振态，再经过第二反射镜11产生具有+l阶轨道角动量的垂直偏振态后，到达偏振分束镜7再次反射产生具有-l阶轨道角动量的垂直偏振态；
其次对垂直偏振基模高斯光而言，经过第一反射镜10和第二反射镜11后光模式的偏振态无变化，再经过第二半波片9后产生了水平偏振基模高斯光；上述光量子态经过加载相同轨道角动量阶数的空间光调制器8后，产生了具有+l阶轨道角动量的水平偏振态；
上述两个光量子态同时经过偏振分束镜7耦合并传播，经分束镜6反射后进入第一四分之一波片12，产生了具有+l阶轨道角动量的左旋圆偏振态和具有-l阶轨道角动量的右旋圆偏振态并叠加，从而构建出具有任意轨道角动量阶数的矢量光模式：
Figure BDA0004134317660000071
其中，|l>表示空间光调制器产生的轨道角动量态，正‘+’和负‘-’号表示产生轨道角动量的方向；|L>和|R>分别指经过第一四分之一波片12产生的左旋圆偏振态和右旋圆偏振态；运算符号
Figure BDA0004134317660000072
表示张量积。
优选地，对具有任意轨道角动量阶数的矢量光模式进行收集并处理，同步重构的矢量光模式的偏振态和轨道角动量大小，具体过程为：
具有任意轨道角动量阶数的矢量光模式经过第二线偏振片13调节偏振方向，再经过第二四分之一波片14调控模式的偏振态，调节后的矢量光模式作为重构的矢量光模式：
Figure BDA0004134317660000073
式中χ为左旋和右旋圆偏振态两正交分量的权重因子，ψ控制两正交偏振分量的相位延迟；
重构矢量光模式的偏振态分布为：
S0＝I0
S1＝2IH-S0
S2＝2ID-S0
S3＝2IR-S0
其中，S0、S1、S2和S3为偏振态分布的四个斯托克斯参量，I0、IH、ID和IR分别表示通过光电耦合探测器CCD的总光强、第二线偏振片13处于0°时的光强、第二线偏振片13处于45°时的光强、以及结合第二线偏振片13与第二四分之一波片14成45°时测量的光强；上述光强由光电耦合探测器CCD收集；
重构矢量光模式的相位分布Φ为：
Φ＝S1+iS2。
通过理论模拟，并通过实验验证，最终得到的实验结果与理论结果保持一致。
图2展示了理论模拟的1阶、2阶、3阶、5阶和10阶的矢量光模式分布以及叠加的径向偏振(Radially polarized)态和角向偏振(Azimuthally polarized)态分布情况。从中可以发现，本发明提出的装置可以产生任意矢量光模式。此外，可以发现，随着轨道角动量阶数的增大，矢量光模式的环形半径也随着增大。径向偏振态的分布与角向偏振态的分布相互正交。
图3说明了理论模拟的1阶径向偏振矢量光模式的斯托克斯参量分布情况。从图中可以发现，参量S0的分布与1阶径向偏振矢量光模式的分布一致。方程(3)中的第一个式子可以解释上述现象。此外，参量S1和S2都展示出显著的强度分布，而参量S3的强度分布为零。这一现象说明，1阶径向偏振矢量光模式中不具有圆偏振态成分，即没有自旋角动量；但是具有水平的线偏振成分和沿对角的线偏振成分。
图4说明了理论模拟的通过斯托克斯参量重构出1阶径向偏振矢量模式偏振态分布和相位分布。从图4中可以看出，基于斯托克斯偏振测量，可以同步重建任意矢量光模式的偏振态和相位分布。重建的1阶径向偏振态与理论模拟(图2)的结果一致。此外，通过重建的相位分布情况可以发现，图中总共出现两次0-2π的相位跃变，所以矢量光模式中的轨道角动量阶数为+2/1和-2/1，因此矢量光模式中的轨道角动量大小为
Figure BDA0004134317660000081
图5说明理论模拟的5阶径向偏振矢量光模式的斯托克斯参量分布情况。从图中可以发现，参量S0的分布同样与5阶径向偏振矢量光模式的分布一致。原因同上。此外，参量S1和S2都展示出显著的强度分布，而参量S3的强度分布依然为零。这一现象说明，5阶径向偏振矢量光模式中同样不具有圆偏振态成分，即没有自旋角动量；但是具有水平的线偏振成分和沿对角的线偏振成分。
图6说明了理论模拟的通过斯托克斯参量重构出5阶径向偏振矢量模式偏振态分布和相位分布。从图6中可以看出，重建的5阶径向偏振态分布与理论模拟(图2)的结果一致。此外，通过重建的相位分布情况可以发现，图中总共出现10次0-2π的相位跃变，所以矢量光模式中的轨道角动量阶数为+10/2和-10/2，因此矢量光模式中的轨道角动量大小为
Figure BDA0004134317660000091
图7说明了实验验证1阶径向偏振矢量光模式的斯托克斯参量分布情况。从图中可以发现，实验产生的斯托克斯参量分布与理论模拟的参量分布(图3)一致。从而验证了理论分析结果的正确性。
图8说明了实验重建1阶径向偏振矢量模式偏振态分布和相位分布。从图8中可以看出，实验重建的1阶径向偏振矢量模式的偏振态总体呈现出径向分布，与理论模拟的结果(图4)一致。此外，实验重建的1阶径向偏振矢量模式的相位分布同样具有两次0-2π的相位跃变，意味着1阶径向偏振矢量光模式中的轨道角动量大小为
Figure BDA0004134317660000092
这一结果与理论模拟的结果(图4)保持一致。因此，证明了本发明专利的有效性和正确性。
本发明方法以时间相关的轨道角动量电磁场波动方程为计算基础模型，采用全解析矢量光模式数学表达式与斯托克斯偏振测量技术的方案，结合软件数值结果与实验结果对比分析验证的方法，将光场检测的手段从传统的单一偏振态检测拓展到偏振态、相位以及轨道角动量同时检测，新增加的检测维度对实际的光通信与光学计量将产生深远的影响。
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它所述实施例中。

Claims (7)

1.一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置，其特征在于，包括连续激光器(1)、显微物镜(2)、单模光纤(3)、分束镜(6)、偏振分束镜(7)、空间光调制器(8)、第二半波片(9)、第一反射镜(10)、第二反射镜(11)、第一四分之一波片(12)、第二线偏振片(13)、第二四分之一波片(14)和探测装置(15)，所述连续激光器(1)发射的连续光波通过显微物镜(2)耦合光波进入单模光纤(3)；经过单模光纤(3)选模并输出基模高斯光；该模式光束通过分束镜(6)到达偏振分束镜(7)；平行光经偏振分束镜(7)被分为第一光束和第二光束两束光，其中第一光束经空间光调制器(8)后产生正符号轨道角动量阶数的水平线偏振态；经第二半波片(9)后产生相同符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态；经第一反射镜(10)后产生相反符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态，经第二反射镜(11)后产生相同符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态，返回偏振分束镜(7)反射产生相反符号轨道角动量阶数的垂直线偏振态；其中第二光束与第一光束共路反向传播，第二光束经第二反射镜(11)和第一反射镜(10)再经过第二半波片(9)后产生水平线偏振态，并入射到空间光调制器上(8)产生正符号轨道角动量阶数的水平偏振态，随后经偏振分束镜(7)与第一光束耦合传播；两光束经分束镜(6)反射，再经过第一四分之一波片(12)产生任意偏振矢量光模式；产生的矢量光模式经过第二线偏振片(13)和第二四分之一波片(14)后被探测装置(15)收集，以获取重构矢量光模式偏振态和轨道角动量。
2.根据权利要求1所述一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置，其特征在于，所述连续激光器(1)采用的光源为波长为532nm，空间光调制器(8)为反射式空间光调制器。
3.根据权利要求1所述一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置，其特征在于，还包括第一线偏振片(4)和第一半波片(5)，所述第一线偏振片(4)和第一半波片(5)依次设置在单模光纤的出射端，用于控制入射光模式的偏振态和发射光功率。
4.根据权利要求3所述一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置，其特征在于，所述探测装置(15)选用光电耦合探测器CCD。
5.根据权利要求4所述一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的装置，其特征在于，还包括计算机(16)，用于获取同步重构的矢量光模式偏振态分布、相位分布以及轨道角动量大小并显示。
6.一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的方法，该方法基于权3至5任一权利要求所述装置实现，其特征在于，该方法为：
连续激光器(1)发射的连续光波通过显微物镜(2)耦合光波进入单模光纤(3)；经过单模光纤(3)选模并输出基模高斯光；基模高斯平行光经第一线偏振片(4)输出水平线偏振的基模高斯光场，再经与主轴成22.5°的第一半波片(5)产生45°方向偏振的基模高斯光模式，该模式经偏振分束镜(7)分为第一光束和第二光束两束光，其中第一光束为水平偏振基模高斯光，第二光束为垂直偏振基模高斯光；
首先对水平偏振基模高斯光而言，经过加载+l阶轨道角动量的空间光调制器(8)调制后产生具有+l阶轨道角动量的水平偏振态；将上述光量子态经过与主轴成45°角度的第二半波片(9)产生具有+l阶轨道角动量的垂直偏振态；该光场经过第一反射镜(10)产生具有-l阶轨道角动量的垂直偏振态，再经过第二反射镜(11)产生具有+l阶轨道角动量的垂直偏振态后，到达偏振分束镜(7)再次反射产生具有-l阶轨道角动量的垂直偏振态；
其次对垂直偏振基模高斯光而言，经过第一反射镜(10)和第二反射镜(11)后光模式的偏振态无变化，再经过第二半波片(9)后产生了水平偏振基模高斯光；上述光量子态经过加载相同轨道角动量阶数的空间光调制器(8)后，产生了具有+l阶轨道角动量的水平偏振态；
上述两个光量子态同时经过偏振分束镜7耦合并传播，经分束镜(6)反射后进入第一四分之一波片(12)，产生了具有+l阶轨道角动量的左旋圆偏振态和具有-l阶轨道角动量的右旋圆偏振态并叠加，从而构建出具有任意轨道角动量阶数的矢量光模式：
Figure FDA0004134317640000021
其中，|l>表示空间光调制器产生的轨道角动量态，正‘+’和负‘-’号表示产生轨道角动量的方向；|L>和|R>分别指经过第一四分之一波片(12)产生的左旋圆偏振态和右旋圆偏振态；运算符号
Figure FDA0004134317640000022
表示张量积。
7.根据权利要求6所述一种同步重构矢量光模式偏振态和轨道角动量的方法，其特征在于，对具有任意轨道角动量阶数的矢量光模式进行收集并处理，同步重构的矢量光模式的偏振态和轨道角动量大小，具体过程为：
具有任意轨道角动量阶数的矢量光模式经过第二线偏振片(13)调节偏振方向，再经过第二四分之一波片(14)调控模式的偏振态，调节后的矢量光模式作为重构的矢量光模式：
Figure FDA0004134317640000023
式中χ为左旋和右旋圆偏振态两正交分量的权重因子，ψ控制两正交偏振分量的相位延迟；
重构矢量光模式的偏振态分布为：
S0＝I0
S1＝2IH-S0
S2＝2ID-S0
S3＝2IR-S0
其中，S0、S1、S2和S3为偏振态分布的四个斯托克斯参量，I0、IH、ID和IR分别表示通过光电耦合探测器CCD的总光强、第二线偏振片(13)处于0°时的光强、第二线偏振片(13)处于45°时的光强、以及结合第二线偏振片(13)与第二四分之一波片(14)成45°时测量的光强；上述光强由光电耦合探测器CCD收集；
重构矢量光模式的相位分布Φ为：
Φ＝S1+iS2。
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