CN209265094U - 一种基于螺旋相位板的轨道角动量可调产生装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于螺旋相位板的轨道角动量可调产生装置，包括高斯光源模块、输出选择模块和轨道角动量调制模块；所述高斯光源模块产生水平偏振的高斯光，传输至输出选择模块；输出选择模块将水平偏振光导入轨道角动量调制模块进行轨道角动量调制；轨道角动量调制模块利用第一全息光栅开关、螺旋相位板和全反射镜组成往返光路，通过控制光脉冲循环往返的时间，完成轨道角动量态的调制；调制后的光束返回所述输出选择模块，输出选择模块利用偏振分束器和第二全息光栅开关，完成任意正或负拓扑荷数轨道角动量的选择输出。该装置结构紧凑，制作成本较低，所需器件与技术较为成熟，可高速产生任意拓扑荷数的轨道角动量态，速率可达MHz的量级。
Description
技术领域
本实用新型属于量子信息与光通信技术领域，具体涉及一种基于螺旋相位板的轨道角动量可调产生装置。
背景技术
量子通信是一种利用量子效应进行信息传递的新型通信方式，量子测不准原理和不可克隆定保证了量子通信理论上的绝对安全性。量子通信也因此受到国内外广泛的关注。
而随着人们对量子通信技术的不断投入，科学家们发现利用多个自由度与不确定关系来对信号进行复用和调制可以扩大传输容量，提高密钥速率。其中轨道角动量(OAM)是除了偏振、相位和波长等自由度之外的又一种重要的自由度。具有轨道角动量(OAM)的光束带有相位因子exp(ilθ)，携带了lh的轨道角动量，其中，θ是方位角，l为拓扑荷。理论上，拓扑荷值l可以取任意整数值，并且不同l值的OAM态之间正交，可以构建无限维度的希尔伯特空间。OAM的这些特性使其在量子信息、光通信、光学微操纵和生物医学等领域有着广泛的应用。
目前，已有诸多产生轨道角动量光束的器件及方法，例如，螺旋相位板、空间光调制器、基于柱面透镜的模式变换器以及q-plate等。然而，这些器件都存在各自的局限性，比如：螺旋相位板只能实现单一模式的OAM；空间光调制器虽然可以实现不同OAM模式的动态调制，但其响应速率一般在KHz以下，极大限制了其应用价值，并且器件体积大不利于集成；q-plate可以实现自旋-轨道角动量之间的转换，但是其难以产生高维度的OAM，并且产生的OAM模式较单一。同时，现有技术中，如Chagnon,M.等人利用数字微镜器件(DMD)动态地切换全息图，产生了OAM态，其切换速率达4kHz，但却因其转换效率低难以应用(Chagnon,M.atal.Rapid generation of light beams carrying orbital angularmomentum.Optics Express,2013，21(25),30204.)；Andrade,J.P.等人实现了可调谐的液晶q-plate，但其切换时间太长，为25-30毫秒(Andrade,J.P.atal.Tunable liquidcrystal q-plates with arbitrary topological charge.Prevention ofCardiovascular Diseases:From Current Evidence to Clinical Practice,2015,19(5),1–308.)；如专利CN101726868A可动态产生OAM态，但产生速率受到空间调制器的限制，难以集成；专利CN104065418A虽然实现了集成的轨道角动量模式发射器，但无法动态调制；
综上所述，目前现有的技术仍不能满足未来量子编码和量子密钥分配(QKD)的应用。进一步拓展OAM的研究与应用，急需一种能同时满足结构紧凑，便于集成，模式可调，可高速产生OAM态的器件。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于螺旋相位板的轨道角动量可调产生装置。通过利用第一全息光栅开关、螺旋相位板和全反射镜组成往返光路，通过控制光脉冲循环往返的时间，实现特定的轨道角动量态调制；利用偏振分束器和第二全息光栅开关，实现正/负拓扑荷数轨道角动量的选择输出；本实用新型的一种基于螺旋相位板的轨道角动量可调产生装置，不仅可高速产生任意拓扑荷数的轨道角动量态，同时还具有结构紧凑，便与集成，制作成本较低的特点。
为了达到上述目的，本实用新型提供一种基于螺旋相位板的轨道角动量可调产生装置，该装置包括高斯光源模块、输出选择模块和轨道角动量调制模块；
所述高斯光源模块包括：泵浦光源和起偏器；
所述泵浦光源产生高斯脉冲光；所述起偏器将高斯脉冲光束调制成水平偏振态；
所述轨道角动量调制模块包括：四分之一波片，第一全息光栅开关，螺旋相位板和全反射镜；
所述四分之一波片接收入射光时，入射的线偏振光变为圆偏振光，当圆偏振光经过全反射镜反射回来再次经过该波片时，圆偏振光变为与入射时偏振态正交的线偏振光，即，将水平偏振光转为了竖直偏正光；
所述螺旋相位板是一种光学厚度与旋转方位角成正比的纯相位衍射光学元件，其目的是控制传输光束的相位，过程与偏振无关。当高斯光束通过透明的螺旋相位板时，由于螺旋相位板的螺旋形表面使透射光束光程的改变不同，引起相位的改变量也不同，使得透射光束产生一个螺旋相位因子，其拓扑荷数为L0。
所述输出选择模块包括：偏振分束器和第二全息光栅开关；
所述偏振分束器透射水平偏振光，反射竖直偏振光；
所述第一或第二全息光栅开关是利用激光的全息技术，通过全息的形式在晶体内部生成布拉格光栅，依靠布拉格光栅实现光的选择性反射，其响应速度可达到纳秒的量级。当施加电压时，布拉格光栅将光束反射；当不施加电压时，光束直接透射过晶体；在实际应用中，也可以用其他透射或反射型的光开关代替全息光栅开关；
上述轨道角动量产生装置工作时，所述高斯光源模块产生水平偏振的高斯光，传输至输出选择模块；所述输出选择模块将水平偏振光导入轨道角动量调制模块进行轨道角动量调制；所述轨道角动量调制模块利用第一全息光栅开关、螺旋相位板和全反射镜组成往返光路，通过控制光脉冲循环往返的时间，实现特定轨道角动量态的调制；调制后的光束返回所述输出选择模块，输出选择模块利用偏振分束器和第二全息光栅开关，实现任意正或负拓扑荷数轨道角动量的选择输出；该装置结构紧凑，制作成本较低，所需器件与技术较为成熟，可高速产生任意拓扑荷数的轨道角动量态，速率可达MHz的量级。其中，本装置的速率只受限于全息光栅开关的响应时间。
具体地，设往返时间T0等于全息光栅开关的响应时间TS,预设最大往返次数为N，则整体装置的速率为若设N＝8，T0＝100ns，则整体装置速率可达1.25MHz；随着开关响应时间TS的缩短，速率甚至可达GHz的量级。
本实用新型提供的装置的工作流程包括以下步骤：
步骤S1：高斯光源模块产生水平偏振的高斯光，表示为：其中，|H＞π代表水平偏振态，|0＞0代表拓扑荷数为0的轨道角动量态；
步骤S2：产生的水平偏振光进入输出选择模块，从输出选择模块中的偏振分束器透射至轨道角动量调制模块；
步骤S3：轨道角动量调制模块的四分之一波片对偏振态进行第一次偏振旋转，然后进入第一全息光栅开关、螺旋相位板和全反射镜组成的往返光路进行OAM调制，其中，光在第一轨道角动量调制模块中，往返次，L1为所需调制的轨道角动量的拓扑荷数值，L0为每次穿过螺旋相位板增加的轨道角动量的拓扑荷数值；当被调制的光达到预期的拓扑荷数值时，调制好的光脉冲将从第一全息光栅开关透射，再次穿过四分之一波片，沿原光路返回输出选择模块；此时光经过奇数次反射，其状态为：|V＞π为竖直偏正态，|-L1>e为拓扑荷数为-L1的轨道角动量态；
步骤S4：输出选择模块中的偏振分束器将返回的轨道角动量光反射至第二全息光栅开关；当给第二全息光栅开关加电压时，入射的光反射从O2端口输出，此时输出光状态为：当不给第二全息光栅开关加电压时，入射的光透射从O1端口输出，此时输出光状态为：
本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型的技术方案利用全息光栅开关、螺旋相位板和全反射镜组成的往返光路，可实现任意轨道角动量态的高速调制，其产生速率大于MHz的量级，只受限于全息光栅开关的响应时间。
(2)本实用新型的技术方案可兼容大功率的输入光，且整体结构紧凑，制作成本低，整体方案所用方法适用，所需器件与技术较为成熟，有较高可实施性。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的装置的工作原理图；
图2.为本实用新型实施例提供的装置的工作流程图。
附图标记说明
1高斯光源模块，2输出选择模块，3轨道角动量调制模块；
101泵浦光源，102起偏器；
201偏振分束器，202第二全息光栅开关；
301四分之一波片，302第一全息光栅开关，303螺旋相位板，304全反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，一种基于螺旋相位板的轨道角动量可调产生装置，包括：高斯光源模块1、输出选择模块2和轨道角动量调制模块3；
所述高斯光源模块1包括：泵浦光源101和起偏器102；
所述泵浦光源101产生高斯脉冲光；所述起偏器102将高斯脉冲光束调制成水平偏振态；
所述轨道角动量调制模块3包括：四分之一波片301，第一全息光栅开关302，螺旋相位板303和全反射镜304；
所述四分之一波片301接收入射光时，入射的线偏振光变为圆偏振光，当圆偏振光经过全反射镜304反射回来再次经过该波片时，圆偏振光变为与入射时偏振态正交的线偏振光，即，将水平偏振光转为了竖直偏正光；
所述螺旋相位板303是一种光学厚度与旋转方位角成正比的纯相位衍射光学元件，其目的是控制传输光束的相位，过程与偏振无关。当高斯光束通过透明的螺旋相位板303时，由于螺旋相位板303的螺旋形表面使透射光束光程的改变不同，引起相位的改变量也不同，使得透射光束产生一个螺旋相位因子，其拓扑荷数为L0。
所述输出选择模块2包括：偏振分束器201和第二全息光栅开关202；
所述偏振分束器201透射水平偏振光，反射竖直偏振光；
所述第一/二全息光栅开关302、202是利用激光的全息技术，通过全息的形式在晶体内部生成布拉格光栅，依靠布拉格光栅实现光的选择性反射，其响应速度可达到纳秒的量级。当施加电压时，布拉格光栅将光束反射；当不施加电压时，光束直接透射过晶体；在实际应用中，也可以用其他透射/反射型的光开关代替全息光栅开关；
本实用新型提供了一种基于螺旋相位板的轨道角动量可调产生装置；高斯光源模块1产生水平偏振的高斯光，并将其传输至输出选择模块2；所述输出选择模块2利用偏振分束器201将水平偏振光导入轨道角动量调制模块3进行轨道角动量调制；到达轨道角动量调制模块3的高斯光束先第一次经过四分之一波片301，进入第一全息光栅开关302、螺旋相位板303和全反射镜304组成的往返光路，通过控制光脉冲循环往返的时间，可实现与偏振态无关的特定轨道角动量态的调制；调制后的光束再次经过四分之一波片301，偏振态变为竖直偏振，返回所述输出选择模块2；输出选择模块2的偏振分束器201将光束反射至第二全息光栅开关202，利用第二全息光栅开关202实现任意正/负拓扑荷数轨道角动量的选择输出；所述装置结构紧凑，制作成本较低，所需器件与技术较为成熟，可高速产生任意拓扑荷数的轨道角动量态，速率可达MHz的量级。其中，本装置的速率只受限于全息光栅开关的响应时间。
具体地，设往返时间T0等于全息光栅开关的响应时间TS,预设最大往返次数为N，则整体装置的速率为若设N＝8，T0＝100ns，则整体装置速率可达1.25MHz；随着开关响应时间TS的缩短，速率甚至可达GHz的量级。
如图2所示，本实用新型提供的装置的工作流程如下：
步骤S1：高斯光源模块1产生水平偏振的高斯光，表示为：其中，|H＞π代表水平偏振态，|0＞0代表拓扑荷数为0的轨道角动量态；
步骤S2：产生的水平偏振光进入输出选择模块2，从输出选择模块2中的偏振分束器201透射至轨道角动量调制模块3；
步骤S3：轨道角动量调制模块3的四分之一波片301对偏振态进行第一次偏振旋转，然后进入第一全息光栅开关302、螺旋相位板303和全反射镜304组成的往返光路进行OAM调制，其中，光在轨道角动量调制模块3中，往返次，L1为所需调制的轨道角动量的拓扑荷数值，L0为每次穿过螺旋相位板303增加的轨道角动量的拓扑荷数值；当被调制的光达到预期的拓扑荷数值时，调制好的光脉冲将从第一全息光栅开关302透射，再次穿过四分之一波片301，沿原光路返回输出选择模块2；此时光经过奇数次反射，其状态为：|V＞π为竖直偏正态，|-L1＞0为拓扑荷数为-L1的轨道角动量态；
步骤S4：输出选择模块中的偏振分束器201将返回的轨道角动量光反射至第二全息光栅开关202；当给第二全息光栅开关202加电压时，入射的光反射从O2端口输出，此时输出光状态为：当不给第二全息光栅开关202加电压时，入射的光透射从O1端口输出，此时输出光状态为：
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
Claims (8)
1.一种基于螺旋相位板的轨道角动量可调产生装置，其特征在于：所述装置包括高斯光源模块、输出选择模块和轨道角动量调制模块，其中：
所述高斯光源模块包括泵浦光源和起偏器；所述泵浦光源产生高斯脉冲光；所述起偏器将高斯脉冲光束调制成水平偏振态；
所述轨道角动量调制模块包括：四分之一波片，第一全息光栅开关，螺旋相位板和全反射镜；
所述输出选择模块包括偏振分束器和第二全息光栅开关；
所述高斯光源模块产生水平偏振的高斯光，传输至输出选择模块；所述输出选择模块将水平偏振光导入轨道角动量调制模块进行轨道角动量调制；所述轨道角动量调制模块利用第一全息光栅开关、螺旋相位板和全反射镜组成往返光路，通过控制光脉冲循环往返的时间，完成轨道角动量态的调制；调制后的光束返回所述输出选择模块，输出选择模块利用偏振分束器和第二全息光栅开关，完成任意正或负拓扑荷数轨道角动量的选择输出。
2.根据权利要求1所述的轨道角动量可调产生装置，其特征在于：所述四分之一波片接收入射光时，入射的线偏振光变为圆偏振光。
3.根据权利要求2所述的轨道角动量可调产生装置，其特征在于：所述圆偏振光经过全反射镜反射回来再次经过该波片时，圆偏振光变为与入射时偏振态正交的线偏振光。
4.根据权利要求1所述的轨道角动量可调产生装置，其特征在于：所述螺旋相位板是光学厚度与旋转方位角成正比的纯相位衍射光学元件。
5.根据权利要求1所述的轨道角动量可调产生装置，其特征在于：所述偏振分束器透射水平偏振光，反射竖直偏振光。
6.根据权利要求1所述的轨道角动量可调产生装置，其特征在于：所述第一或第二全息光栅开关在晶体内部生成布拉格光栅，通过布拉格光栅完成光的选择性反射。
7.根据权利要求6所述的轨道角动量可调产生装置，其特征在于：当施加电压时，所述布拉格光栅将光束反射；当不施加电压时，光束直接透射过晶体。
8.根据权利要求1所述的轨道角动量可调产生装置，其特征在于：所述第一全息光栅开关、螺旋相位板和全反射镜依次连接组成往返光路。
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