CN212009176U - 一种非破坏涡旋光场分束装置 - Google Patents
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Abstract
一种非破坏涡旋光场分束装置，包括环形腔选模模块，所述环形腔选模块，所述环形腔选模块包括组成环形腔的输入耦合镜、第一道威棱镜、第二道威棱镜、扫描锁腔组件、凹面镜、输出耦合镜；输入光束经输入耦合镜部分反射和部分透射，输入耦合镜透射的LG光束依次经过第一道威棱镜、第二道威棱镜、扫描锁腔组件、凹面镜、输出耦合镜，输出耦合镜将部分光反射和透射，反射的LG光束射入输入耦合镜后也部分反射和部分透射。使得具有相反拓扑荷的两个OAM载运光束的由简并态变成非简并态。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光技术、非线性光物理技术领域和原子物理的技术领域，尤其涉及一种非破坏涡旋光场分束装置。
背景技术
光的全自由度包括频率、强度、偏振和轨道角动量(OAM)。OAM载运光束强度和相位分布的奇异性激发了许多令人兴奋的应用，如光学操纵和俘获、高精度光学计量和量子信息处理。相互正交的OAM模式为高容量经典光通信的空间模式复用提供了可能性。OAM模的无限维让密集编码和坐标独立的量子密钥分配变得更有应用前景。对于基于多OAM模式的各种应用，有效地识别和分离不同的OAM模式至关重要。在以往实用新型中，有很多方法可以实现这个目标。例如全息光栅和单模光纤可以作为特定OAM模式的模式检测器，此时模式检测器是一个投影仪，我们必须使用N个投影测量来测量N个OAM模式。这种方法的一个缺点是测量后原始状态被完全破坏，而且效率不高。所以有效地识别不同轨道角动量(OAM)的光束对于大容量光通信和量子信息处理等应用具有重要意义。
实用新型内容
为了减少驱动设备和提高空间的利用率，为此，本实用新型提供一种非破坏涡旋光场分束装置。本实用新型采用以下技术方案：
一种非破坏涡旋光场分束装置，包括环形腔选模模块，所述环形腔选模块，所述环形腔选模块包括组成环形腔的输入耦合镜、第一道威棱镜、第二道威棱镜、扫描锁腔组件、凹面镜、输出耦合镜；输入光束经输入耦合镜部分反射和部分透射，输入耦合镜透射的LG光束依次经过第一道威棱镜、第二道威棱镜、扫描锁腔组件、凹面镜、输出耦合镜，输出耦合镜将部分光反射和透射，反射的LG光束射入输入耦合镜后也部分反射和部分透射。
具体地说，所述扫描锁腔组件包括平面镜和压电传感器，所述压电传感器安装在平面镜上。
具体地说，还包括光束产生模块，所述光束产生模块包括在光路上依次设置的激光器、让激光器输出的高斯光束附加相对相位的相位调制部件、将携带轨道角动量的拉盖尔高斯光束与环形腔进行模式匹配的透镜组件。
具体地说，所述相位调制部件为空间光调制器或涡旋相位板。
具体地说，所述光束产生模块在激光器后还设置有控制高斯光束的偏振状态的偏振调质组件。
具体地说，所述空间光调制器与偏振调质组件之间设置有第一反射镜，所述空间光调制器与透镜组件之间设置有第二反射镜。
具体地说，所述透镜组件末端还设置有第三反射镜。
具体地说，所述透镜组件包括在光路上依次设置的第一透镜和第二透镜。
具体地说，所述空间光调制器包括LCoS面板，且镀铝反射膜。
具体地说，还包括成像模块，所述成像模块包括电荷耦合器件和快速光电二极管，所述电荷耦合器件用于将输出耦合镜透镜的光束成像，所述快速光电二极管用于将检测输入耦合镜反射和透射的光束，并传输至示波器成像。
本实用新型的优点在于：
(1)本实用新型采用了一种在环形腔中引入道威棱镜的方式来有效分割不同OAM载运光束。由于具有相反拓扑荷的两个OAM载运光束的旋转对称性被破坏，其透射谱在环形腔内会发生分裂。当腔体与一个OAM载运光束的模式和阻抗匹配时，该光束将通过腔体传输，另一个OAM载运光束则被反射，两个光束都会保持其空间形状，即使得具有相反拓扑荷的两个OAM载运光束的由简并态变成非简并态。
(2)本实用新型可将携带不同阶的OAM运载光束在本实用新型实例装置中分离开，且成像效果好，光束模式不会被破坏。现有技术的模式探测器是一个投影仪，需要使用N个投影测量来测量N个OAM模式。这种方法的一个缺点是测量后原始状态被完全破坏，而且效率不高。传统的环形腔可以将与腔内模式共振的光束选出，但无法区分拓扑荷相反的LG光，而本实用新型装置可以做到这点。
(3)所述道威棱镜为顶端被切除的直角棱镜，这样就减小了棱镜的重量和杂散光的内部反射。
(4)所述光束产生模块使得具有相反拓扑荷的两个OAM载运光束的由简并态变成非简并态。
(5)本申请通过增加空间光调制器的前倾斜相位从而提高输入光束的纯度。
(6)偏振调质组件的设置可以控制高斯光束的偏振状态。
(7)所述第一反射镜和第二反射镜用于调节相位调制部件输入输出端光束的角度。
(8)第三反射镜调整光束产生模块输出光路的方向。
(9)所述第一透镜和第二透镜构成4-F系统，从而保持光束参数不变。
(10)所述成像模块使得输出的OAM载运光束成像。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种非破坏涡旋光场分束装置模块连接图；
图2为本实用新型实施例中各模块组装后的整体装置图；
图3为本实用新型实施例提供的光束产生模块装置；
图4为本申请实施例提供的环形腔选模模块装置；
图5(a)-图5(c)为本实用新型实施例提供的在不同腔内透过率和阻抗失配情况下腔透射和反射系数的数值模拟及理论仿真结果；
图6(a)-图6(d)为本实用新型实施例提供的不同输入态的透射谱及实验结果；
图7(a)为使用CCD相机获得的反射和透射空间形状图；
图7(b)为图像是基于实验参数的相应理论仿真结果。
图中标注符号的含义如下：
1-光束产生模块 11-激光器
12-偏振调质组件 121-第一半波片 122-第一四分之一波片
13-第一反射镜 14-空间光调制器 15-第二反射镜
16-第一透镜 17-第二透镜 18-第三反射镜
21-输入耦合镜 22-第一道威棱镜 23-第二道威棱镜
24-平面镜 25-压电传感器 26-凹面镜 27-输出耦合镜
31-电荷耦合器件 32-快速光电二极管
具体实施方式
如图1-4所示，一种非破坏涡旋光场分束装置，包括依次设置的
光束产生模块1，用于在目标平面上产生携带两种不同轨道角动量(OAM)的LG光束，并以叠加态输出；
环形腔选模模块2，使两个拓扑荷相反的OAM载运光束的非简并腔模分裂，并将与谐振腔共振的OAM载运光束透射输出；
成像模块3，使得输出的OAM载运光束成像。
以下对上述三个模块进行详细的描述：
1.光束产生模块1
光束产生模块1包括在光路上依次设置的激光器11、偏振调质组件12、第一反射镜13、相位调制部件、第二反射镜15、透镜组件、第三反射镜17。
激光器11为连续波钛蓝宝石激光器，在该实施例中，型号为Coherent,MBR110，用于发射波长为795nm的高斯光束。
偏振调制组件12包括第一半波片121和第一四分之一波片122，第一半波片121波长为795nm，第一四分之一波片122波长为795nm。调节第一半波片121和第一四分之一波片122的快轴方向，可控制高斯光束的偏振状态。
第一反射镜13表面镀膜HR@795nm，用于反射波长为795nm的高斯光束到相位调制部件。
相位调制部件在该实施例中为空间调制器14。还可以使用涡旋相位板替代，涡旋相位板让高斯光束附加相对相位，变成螺旋光。该实施例中使用的空间光调制器14可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变光束空间分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。通过空间光调制器14出射的光束可以直接表示为入射光束乘以附加的相位项，让高斯光束携带轨道角动量(OAM)，空间光调制器14将高斯光束转换为拉盖尔高斯光束(LG光束)并输出。空间光调制器具有1920*1080(全高清)的LCoS面板，且镀铝反射膜，用于400-850nm。
第二反射镜15表面镀膜HR@795nm，用于反射波长为795nm的LG光束到第一透镜16。
透镜组件包括第一透镜16和第二透镜17，第一透镜16和第二透镜17将携带OAM的LG光束与环形腔进行模式匹配。
第三反射镜18表面镀膜HR@795nm，用于反射波长为795nm的高斯光束到环形腔选模模块2中。
2.环形腔选模模块2
环形腔选模模块2包括组成环形腔的输入耦合镜21、第一道威棱镜22、第二道威棱镜23、平面镜24、压电传感器25、凹面镜26、输出耦合镜27。所述压电传感器25安装在平面镜24上，用于扫描和锁定腔。光束产生模块1的输出光束经输入耦合镜21部分反射和部分透射，输入耦合镜21透射的LG光束依次经过第一道威棱镜22、第二道威棱镜23、平面镜24和压电传感器25、凹面镜26、输出耦合镜27，输出耦合镜27将部分光反射和透射，反射的LG光束射入输入耦合镜21后也部分反射和部分透射。
所述输入耦合镜21对于波长为795nm的LG光束具有85％的反射率。来自光束产生模块1的携带OAM的LG光束射入输入耦合镜21。
用于将影像反转的第一道威棱镜22与第二道威棱镜23之间有相对旋转角α。LG光束由第一道威棱镜22与第二道威棱镜23的其中一个斜面进入之后，会在最长的底面产生全反射，然后由相对的另一个斜面射出。LG光束在通过道威棱镜后有被偏极化的现象，LG光束在通过第一道威棱镜22时被附加了相对相位项，同时使得影像反转，然后射入第二道威棱镜23，当LG光束从第二道威棱镜23射出时，影像再次反转，与从光束产生模块1中射入光束影像方向一致，但两个OAM模之间会产生相对相位ΔΦ＝2lα，l为携带轨道角动量的光束的拓扑荷。这两种OAM模在环型腔内一次往返过程中会经历不同的相位变化，导致其频谱分裂。
所述平面镜24表面镀膜HR@795nm，用于反射由第二道威棱镜23射出的光束，将光束反射至凹面镜26，反射率大于99％。
所述凹面镜26表面镀膜HR@795nm，反射率大于99％。
所述输出耦合镜27的镜头表面的表面镀膜HR@795nm，反射率为95％，即将与环形谐振腔的本征模共振的LG光束透射输出，反射腔内95％的光束至输入耦合镜21，之后光束在环形腔内循环传播形成稳定的谐振腔。
对于环形腔，OAM模也是环形腔的本征模，OAM模与环形腔的谐振频率νpql为：
其中c为光速，L为腔中往返的光学长度，q为整数，l为拓扑荷，p为OAM光束的根指数，c/L为特定模式的最小频率差，本实用新型实例环形腔的反射系数CR和透射系数CT表示为：
其中R1，R4是环形腔内输入耦合镜21与输出耦合镜27的反射率,T1，T4是环形腔内输入耦合镜21与输出耦合镜27的透射率，T1＝1-R1,T4＝1-R4且T表示环形腔的透过率，包括两个道威棱镜与平面镜24以及凹面镜26的透过率之和，δ＝δ1+ΔΦ是本环形腔腔内光束传播一周的相位变化，δ1＝2πc/L是光束在除去道威棱镜的环形腔内传播一周的相位变化。
3.成像模块3
成像模块3包括电荷耦合器件31和快速光电二极管32，所述电荷耦合器件31用于将输出耦合镜27透镜的光束成像，所述快速光电二极管32用于将检测输入耦合镜21反射和透射的光束，并传输至示波器成像。
基于本装置，本方案模拟了不同环形腔的腔内透过率和阻抗失配情况下环形腔的透射系数CR和反射系数CT。
实施例A具体如下：R4＝0.95，T＝0.98，环形腔的透过率T、与输出耦合镜27的透射率T4和环形腔的腔内光束传播一周的相位δ是固定的，通过调节输入耦合镜21的反射率R1，获得如图5(a)环形腔的反射系数CR和透射系数CT与输入耦合镜21的反射率R1的关系曲线。
由图5(a)，环形腔的透射系数CR达到最小值，环形腔的反射系数CT达到最大值。图5(a)中R1不断变大，装置的阻抗失配增加，环形腔的透射系数CT值在减小，环形腔的反射系数CR值在增大。输入耦合镜21对于795nm光束的透过率为：1-输出耦合镜的反射率×道威棱镜的透射率×道威棱镜的透射率。输出耦合镜的反射率与道威棱镜的透射率均为95％。
实施例b具体如下：R1＝R4＝0.90，T＝1，如图5(b)所示，本实施例模拟了当环形腔与|1>共振，输入模式为
时，对于不同相位变换ΔΦ的环形腔的反射系数CR和透射系数CT模式形状。在该实施例中，使用量子力学语言来表示不同的OAM模式，定义
当ΔΦ增大时，模式|1>和|-1>的透射谱从简并态分裂为非简并态，当两个模的透射谱完全分离时，透射模只包含与环形腔共振的模，另一个模则完全反射。
实施例c具体如下：对于输入模式为
时，当模式匹配系数M(模式匹配系数是输入模式与腔本征模式的重叠比例)从0到0.995变化时，透射与反射光束空间形状如图5(c)所示,当M＝0时，两个模式的光都完全反射，没有模式的光从腔中传输；而对于几乎完美的模式匹配M＝0.995，一个模式的光完全反射，另一个模式的光完全传输。
本实用新型对于其他不同输入模式的实验和仿真结果如图6所示。输入模式分别为|0>+|1>、|1>+|2>、|-1>+|1>和|-2>+|2>的透射光谱，如图6(a)-6(d)中所示。对于高拓扑荷OAM模，由于输入模的杂质和其它模的共振，在透射谱中会出现更多无关的高腔模。由于更高的OAM模的内腔损耗也更高，所以出现较大的衍射和散射损耗，从而导致较低的传输效率。在本实用新型装置中，内腔透过率T＝0.90，总模和阻抗匹配系数约为0.80～0.90，这意味着谐振模的反射比约为0.10～0.20。本实用新型使用Hasch-Coillaud(HC)方法将腔锁定到输入模式之一，使用作为电荷耦合器件31和快速光电二极管32的CCD相机获得的反射和透射空间形状如图7(a)图像所示。即获得：发射光束具有明显的圆环形状和高模式纯度，而反射光束由于模式失配而产生的部分反射谐振模而失真。图7(b)的图像是基于实验参数的相应理论仿真结果。
以上仅为本实用新型创造的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型创造，凡在本实用新型创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非破坏涡旋光场分束装置，其特征在于，包括环形腔选模模块，所述环形腔选模块(2)，所述环形腔选模块(2)包括组成环形腔的输入耦合镜(21)、第一道威棱镜(22)、第二道威棱镜(23)、扫描锁腔组件、凹面镜(26)、输出耦合镜(27)；输入光束经输入耦合镜(21)部分反射和部分透射，输入耦合镜(21)透射的LG光束依次经过第一道威棱镜(22)、第二道威棱镜(23)、扫描锁腔组件、凹面镜(26)、输出耦合镜(27)，输出耦合镜(27)将部分光反射和透射，反射的LG光束射入输入耦合镜(21)后也部分反射和部分透射。
2.根据权利要求1所述的一种非破坏涡旋光场分束装置，其特征在于，所述扫描锁腔组件包括平面镜(24)和压电传感器(25)，所述压电传感器(25)安装在平面镜(24)上。
3.根据权利要求1所述的一种非破坏涡旋光场分束装置，其特征在于，还包括光束产生模块(1)，所述光束产生模块(1)包括在光路上依次设置的激光器(11)、让激光器(11)输出的高斯光束附加相对相位的相位调制部件、将携带轨道角动量的拉盖尔高斯光束与环形腔进行模式匹配的透镜组件。
4.根据权利要求3所述的一种非破坏涡旋光场分束装置，其特征在于，所述相位调制部件为空间光调制器(14)或涡旋相位板。
5.根据权利要求3所述的一种非破坏涡旋光场分束装置，其特征在于，所述光束产生模块(1)在激光器(11)后还设置有控制高斯光束的偏振状态的偏振调质组件(12)。
6.根据权利要求4所述的一种非破坏涡旋光场分束装置，其特征在于，所述空间光调制器(14)与偏振调质组件(12)之间设置有第一反射镜(13)，所述空间光调制器(14)与透镜组件之间设置有第二反射镜(15)。
7.根据权利要求3所述的一种非破坏涡旋光场分束装置，其特征在于，所述透镜组件末端还设置有第三反射镜(18)。
8.根据权利要求3所述的一种非破坏涡旋光场分束装置，其特征在于，所述透镜组件包括在光路上依次设置的第一透镜(16)和第二透镜(17)。
9.根据权利要求4所述的一种非破坏涡旋光场分束装置，其特征在于，所述空间光调制器(14)包括LCoS面板，且镀铝反射膜。
10.根据权利要求3所述的一种非破坏涡旋光场分束装置，其特征在于，还包括成像模块(3)，所述成像模块(3)包括电荷耦合器件(31)和快速光电二极管(32)，所述电荷耦合器件(31)用于将输出耦合镜(27)透镜的光束成像，所述快速光电二极管(32)用于将检测输入耦合镜(21)反射和透射的光束，并传输至示波器成像。
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| CN202020825189.9U CN212009176U (zh) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | 一种非破坏涡旋光场分束装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111458892A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-07-28 | 青岛鲲腾量子应用技术有限公司 | 一种非破坏涡旋光场分束装置 |
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2020
- 2020-05-18 CN CN202020825189.9U patent/CN212009176U/zh active Active
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