一种测量光束轨道角动量谱的装置与系统

摘要

本发明公开了一种新型的测量光束轨道角动量谱的装置与系统。只需将待测光束沿系统光轴方向入射，在接收端获得远场衍射光斑灰度图样，通过本发明提供的计算系统即可得到入射光束的轨道角动量谱。该方法装置十分简单，光路易于调节。其可操作性较高，只需获得远场衍射光斑灰度图样，其余工作均可由主机自动完成。本发明相比于现有轨道角动量谱测量技术具有很大进步。其可应用于光通信技术，量子信息处理、光镊技术等诸多领域中。

说明书

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种测量光束轨道角动量谱的装置与系统。

背景技术

角动量是物理学中的一最基本物理量，它可用来描述物体的旋转运动情况。角动 量又可分为自旋角动量与轨道角动量。对于光子来说，自旋角动量宏观表现为圆偏振态，而 轨道角动量则表现为光束的螺旋形波前。对于携带有轨道角动量的光束，因其具有螺旋型 波前，故会在光束中心存在一相位奇点，即光束的中心没有光强，其横截面光强分布表现为 一环状。携带轨道角动量的光束也称为涡旋光束。常见的携带有轨道角动量的光束有拉盖 尔高斯光束、贝塞尔光束等。轨道角动量态的特征值可以是任意非零整数，即这种特征态理 论上是无穷多的，因此可构成无穷维度的希尔伯特空间。这使得单光子承载无穷多的相互 正交的轨道角动量态成为可能。因此携带有轨道角动量的光束可以拓展光通信信道容量。 轨道角动量态在旋转体转速测量，量子通信，矢量光束生成等其他研究方向也具有十分重 要的应用价值，因此受到国内外学者的持续关注。

对于一束携带有轨道角动量的光束，测量并确定其轨道角动量谱，即其所携带的 各轨道角动量态的比重十分重要。国内外学者在这一方面做了很多研究，目前主要有相互 级联的马赫增德尔干涉仪法和坐标变换法。相互级联的马赫增德尔干涉仪可以根据角量子 数的奇偶性来分离各个轨道角动量态，然后用功率计依次测得各个单一模式的功率来得到 轨道角动量谱。但是这种方法对于相同奇偶性的轨道角动量态是无效的，而且这个光路系 统十分庞大，调节起来十分复杂。坐标变换法是目前一比较常用的方法，它由两张相位屏和 一正透镜组成。当一束光束经过这一测量系统时，光束中携带不同轨道角动量的光束分量 会衍射到接收屏的不同位置，这时依次测出不同模式的光强大小，即可得到轨道角动量谱。 这种方法相比于马赫增德尔干涉仪，具有很大的进步。然而，对于相邻的轨道角动量态，在 接收屏上两个光斑会因靠的比较近而不易分辨。同时两张相位屏也增加了谱测量的复杂程 度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于达曼涡旋光栅远场衍射光场的灰度值测量光束 轨道角动量谱的装置与系统。该发明装置结构简单，光路调节的复杂度较低，只需一个达曼 涡旋光栅，而无需使用功率计等任何光功率测量器件，通过衍射光斑的灰度值分析相机接 收到的衍射光斑，即可实现轨道角动量谱的测量。本发明可测量的轨道角动量谱的角量子 数范围为-12～+12。当不同的光束入射时，无需重新调节光路，可直接读出轨道角动量谱的 测量结果。

本发明提供一种基于达曼涡旋光栅远场衍射光场直接得出轨道角动量谱的系统， 其具备：

读取部，其读取入射光束通过达曼涡旋光栅的远场衍射光斑的灰度图像；

第一控制部，其将所述读取部得到的所述光斑进行编号，从左上至右下分别编号 为+12～-12，并将初始光斑号l设置为13；

第二控制部，其将光斑号减1，即将(l-1)赋值给l；

判断部，其判断光斑号l的大小，若光斑号l大于或等于-12，继续判断光斑号l处光 束中心是否具有实心光斑，若有，则执行第一计算部，若没有，则将灰度值之和G(l)设置为 0，并通过第二控制部进行控制；若光斑号l小于-12，则执行第二计算部；

第一计算部，其直接读出中心亮斑的各像素的灰度值，并计算出各像素灰度值之 和G(l)，所述各像素的灰度值之和G(l)用来表示各中心亮斑的光强，在第一计算部执行完 成后，返回第二控制部进行控制；

第二计算部，通过查询对应于各光斑号l的各像素灰度值之和G(l)确定最大值 G_max，依次计算G(l)/G_max，分别确定各个归一化后的对应于光斑号l的灰度值之和G`(l)，并 确定G`(l)与光斑号l(即角量子数)之间的柱状图，从而直接得到入射光束的轨道角动量 谱；

显示部，其显示通过第二计算部得到的轨道角动量谱。

本发明还提供一种测量光束轨道角动量谱的装置，具备激光器、偏振分光棱镜、两 个液晶空间光调制器、小孔光阑、扩束器、傅里叶透镜、CCD相机、数据传输部和主机，其中：

所述偏振分光棱镜置于激光器发出的激光光路中，用于生成水平线偏振激光；

所述两个液晶空间光调制器的其中之一置于偏振分光棱镜后方的激光光路中，用 于将高斯光束转化为携带有多种轨道角动量的多路复用涡旋光束；

所述小孔光阑置于液晶空间光调制器的后方的激光光路中，用于滤除杂散光；

所述扩束器置于小孔光阑后方的激光光路中，用于对多路复用涡旋光束进行准直 与扩束；

所述两个液晶空间光调制器的另外一个置于扩束器的后方激光光路中，用于加载 达曼涡旋光栅的全息光栅图；

所述傅里叶透镜置于扩束器后液晶空间光调制器的后方的激光光路中，用于实 现光场的傅里叶变换；

所述CCD相机置于傅里叶透镜的后方激光光路中且置于傅里叶透镜的像方焦平面 处，用于接收变换后的远场衍射光场；

所述数据传输部与CCD相机相连接，用于传输远场衍射光场的灰度图像；

所述主机，接收来自于数据传输部传输的远场衍射光场的灰度图像，其包括基于 达曼涡旋光栅远场衍射光场直接得出轨道角动量谱的系统，分析远场衍射光场的灰度图 像，进而得到并显示轨道角动量谱。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明基于达曼涡旋光栅远场衍射光场的灰度值分布，可在无功率测量器件 的情况下测得衍射屏中各光斑的光强比例分布。

(2)本发明可十分快速并准确的测量入射光束的轨道角动量谱。

(3)本发明提供的测量光束轨道角动量谱的测量装置，只需一个相位屏即可实现 谱测量，相比于现有技术，其结构简单，易于调节，简化器件数量，节约成本。

附图说明

图1为本发明所使用的达曼涡旋光栅的全息光栅图。

图2(a)为高斯光束入射到达曼涡旋光栅后的远场衍射光斑实验图，及其可用来探 测的轨道角动量态(角量子数)与各衍射级的位置对应图。

图2(b)为计算测得的图2(a)中各衍射级次的能量分布图。

图3为本发明的实施方式的构成图。

图4为基于达曼涡旋光栅远场衍射光场直接得出轨道角动量谱的系统的计算流程 图。

图5(a)从左至右依次为轨道角动量成分分别为+4阶和-4阶且比例为1：1的涡旋光 束及其经过达曼涡旋光栅后的衍射光斑。

图5(b)为使用本发明提供的计算系统分析图5(a)所示衍射光斑的相对强度时针 对每一个子光斑的取样范围。

图5(c)为使用本发明提供的计算系统在图5(b)所示的取样范围下直接分析图5 (a)所示的衍射光斑所得到的待测光束的轨道角动量谱与理论分析得到轨道角动量谱的对 比图。

图5(d)为使用本发明提供的计算系统在图5(b)所示的取样范围下分析图5(a)所 示的衍射光斑后，再经图2(b)所示的各衍射级能量分布补偿后，所得到的待测光束的轨道 角动量谱与理论分析得到轨道角动量谱的对比图。

图6(a)从左至右依次为轨道角动量成分分别为+4阶和-4阶且比例为1：2的涡旋光 束及其经过达曼涡旋光栅后的衍射光斑。

图6(b)为使用本发明提供的计算系统在图5(b)所示的取样范围下直接分析图6 (a)所示的衍射光斑所得到的待测光束的轨道角动量谱与理论分析得到轨道角动量谱的对 比图。

图6(c)为使用本发明提供的计算系统在图5(b)所示的取样范围下分析6(a)所示 的衍射光斑后，再经图2(b)所示的各衍射级能量分布补偿后，所得到的待测光束的轨道角 动量谱与理论分析得到轨道角动量谱的对比图。

图7(a)从左至右依次为轨道角动量成分分别为-9阶、-2阶和+6阶且比例为随机设 定的涡旋光束及其经过达曼涡旋光栅后的衍射光斑。

图7(b)为使用本发明提供的计算系统在图5(b)所示的取样范围下直接分析图7 (a)所示的衍射光斑所得到的待测光束的轨道角动量谱与理论分析得到轨道角动量谱的对 比图。

图7(c)为使用本发明提供的计算系统在图5(b)所示的取样范围下分析图7(a)所 示的衍射光斑后，再经图2(b)所示的各衍射级能量分布补偿后，所得到的待测光束的轨道 角动量谱与理论分析得到轨道角动量谱的对比图。

图8为本发明的的一种测量光束轨道角动量谱的装置示意图。图中，1-激光器，2- 偏振分光棱镜，3-液晶空间光调制器，4-小孔光阑，5-扩束器，6-液晶空间光调制器，7-傅里 叶透镜，8-CCD相机，9-数据传输部，10-主机。

具体实施方式

下面结合附图并实施例，对本发明做一详细描述。

本发明用于测量光束轨道角动量谱。其一关键光学器件为一达曼涡旋光栅，如图1 所示。当高斯光束照射到达曼涡旋光栅上时，其远场衍射光场为一个5×5涡旋光束阵列，从 左上至右下其角量子数分别为-12～+12。因此当一束涡旋光束照射到该达曼涡旋光栅上 时，其远场衍射光斑阵列中，光束中心出现亮斑的位置的角量子数的相反数，即为入射涡旋 光束携带的轨道角动量的角量子数。这可理解为：当涡旋光束入射到本发明提供的复合光 栅上时，其远场衍射中位置a处的光斑相位可表示为：

式中，l(a)表示高斯光束入射时远场衍射中位置a处的角量子数，可取值为-12～+ 12闭区间中的任意整数。当l(a)＝-l₀时，Φ(a)＝1，此时远场衍射在位置a处的光斑的环状 结构就会消失，因此待测涡旋光束的角量子数l₀即为l(a)的相反数。由此我们得到达曼涡 旋光栅可探测的轨道角动量态(角量子数l₀)与各衍射级的位置对应图，如图2(a)所示。当 衍射光场的某位置处的光斑的中心出现实心亮斑时，表明入射光束携带该位置对应图2(a) 所示的轨道角动量。公式(1)也表明光斑中心出现的实心亮斑完全由入射光束中角量子数 为l₀的分量转化而来，若测出实心亮斑的光强，即可得到角量子数为l₀的轨道角动量分量在 入射光束中的比例。依次测出所有分量的光强，即可测得入射光束的轨道角动量谱。理论 上，达曼涡旋光栅的远场衍射光场的25个光斑的光强比是相同的。因此只需按上述方法依 次分析25个衍射光斑，通过计算即可得到入射光束的轨道角动量谱。

然而，受实际操作环境等多方面因素影响，25个光斑的光强并不是严格的相同。因 此，每次测量前需测出各衍射级次的能量比例分布。在不超过CCD相机阈值的前提下，其接 收到的光斑的每个像素的灰度值的和，与该光束的光强成正比。因此可用灰度表征光强。对 于同一接收屏接收到的衍射图样的每一个子光斑来说，依次读取该子光斑的每一个像素点 的灰度值，并对灰度值求和，则每个光斑的各像素点灰度值的和之比，即各衍射级光斑的光 强之比。应用该方法，测得各衍射级间的能量比例分布，如图2(b)所示。当主机得出轨道角 动量谱后，经过各衍射级能量比例分布补偿，可获得精确的轨道角动量谱。

下面，结合图3，简要介绍本发明的具体实施方式构成。本发明的具体实施方式构 成包括测量光学系统，数据传输部和主机。测量光学系统可获得待测光束经达曼涡旋光栅 衍射后的远场衍射光斑灰度图像。数据传输部将测量光学系统获得的远场衍射光斑灰度图 像传输至主机中。主机包括一种基于达曼涡旋光栅远场衍射光场直接得出轨道角动量谱的 系统，其流程图如图4所示。其具备：读取部，其读取入射光束通过达曼涡旋光栅的远场衍射 光斑的灰度图像；第一控制部，其将所述读取部得到的所述光斑进行编号，从左上至右下分 别编号为+12～-12，并将初始光斑号l设置为13；第二控制部，其将光斑号减1，即将(l-1)赋 值给l；判断部，其判断光斑号l的大小，若光斑号l大于或等于-12，继续判断光斑号l处光 束中心是否具有实心光斑，若有，则执行第一计算部，若没有，则将该衍射级灰度值之和G (l)设置为0，并通过第二控制部进行控制；若光斑号l小于-12，则执行第二计算部；第一计 算部，其直接读出中心亮斑的各像素的灰度值，并计算出他们的和G(l)，所述各像素的灰度 值之和G(l)用来表示各像素的光强，在第一计算部执行完成后，返回第二控制部进行控制； 第二计算部，通过查询对应于各光斑号l的灰度值之和G(l)确定最大值G_max，依次计算G(l)/ G_max，分别确定各个归一化后的对应于光斑号l的灰度值之和G`(l)，并确定G`(l)与光斑号l (即角量子数)之间的柱状图，从而直接得到入射光束的轨道角动量谱；显示部，其显示通过 第二计算部得到的轨道角动量谱。

实施例1：轨道角动量成分分别为+4阶和-4阶且比例为1：1的涡旋光束轨道角动量 谱的测量。

图5(a)为轨道角动量成分分别为+4阶和-4阶且比例为1：1的涡旋光束的光场分 布，以及其经过达曼涡旋光栅后的灰度衍射光斑。参照图2(a)，由衍射光场可知入射光束含 有+4阶和-4阶轨道角动量成分。将衍射光场灰度图像经数据传输部从测量光学系统传输至 主机，主机中的基于达曼涡旋光栅远场衍射光场直接得出轨道角动量谱的系统对图5(a)所 示的灰度衍射光斑进行分析。在本次测量中，判断部判断各衍射级中心是否具有实心光斑 时，若中心点像素灰度值小于15，则认为中心无实心光斑，在第一计算部计算中心实心光斑 各像素的灰度值之和时，采样范围为一圆形区域，直径取23像素，如图5(b)所示。此处需说 明一点，主机中判断部中心点像素灰度阈值，与第一计算部采样范围直径的选取，因测量光 路系统中各光学仪器的参数的不同，可选不同值。其中计算部采样范围大小的选择，以恰好 可以包括整个中心亮斑为宜，但采样范围必须为圆。对于一固定的测量光学系统，主机中 这两个参数应是一固定值。因此后续两个实施例中，这两个参数的选取与本实施例相同。图 5(c)为主机系统输出的待测光束的轨道角动量谱与理论分析得到轨道角动量谱的对比图。 可以看出计算结果与实际理论结果有较大的不同，这是由于前述分析的实际使用中达曼涡 旋光栅各衍射级间能量分配未达到理想的等能量分配所致，因此需对测量结果进行补偿。 即图5(c)所示的测得的各角量子数对应的归一化光强除以图2(b)中对应的各衍射级归一 化光强。补偿后的测量结果如图5(d)所示，此时可发现测量结果与理论值十分吻合。

实施例2：轨道角动量成分分别为+4阶和-4阶且比例为1：2的涡旋光束轨道角动量 谱的测量。

图6(a)为轨道角动量成分分别为+4阶和-4阶且比例为1：1的涡旋光束的光场分 布，以及其经过达曼涡旋光栅后的灰度衍射光斑。参照图2(a)，由衍射光场可知入射光束含 有+4阶和-4阶轨道角动量成分。将衍射光场灰度图像经数据传输部从测量光学系统传输至 主机，主机中的基于达曼涡旋光栅远场衍射光场直接得出轨道角动量谱的系统对图6(a)所 示的灰度衍射光斑进行分析。输出结果如图6(b)所示，经各衍射级光强补偿后的测量结果 如图6(c)所示。可以看出，补偿后测量结果与理论值吻合。

实施例3：轨道角动量成分分别为-9阶、-2阶和+6阶且比例为随机设定的涡旋光束 轨道角动量谱的测量。

图7(a)为轨道角动量成分分别为-9阶、-2阶和+6阶且比例为随机设定的涡旋光束 的光场分布，以及其经过达曼涡旋光栅后的灰度衍射光斑。参照图2(a)，由衍射光场可知入 射光束含有-9阶、-2阶和+6阶轨道角动量成分。将衍射光场灰度图像经数据传输部从测量 光学系统传输至主机，主机中的基于达曼涡旋光栅远场衍射光场直接得出轨道角动量谱的 系统对图7(a)所示的灰度衍射光斑进行分析。输出结果如图7(b)所示，经各衍射级光强补 偿后的测量结果如图7(c)所示。可以看出，补偿后测量结果与理论值吻合。

通过实施例1、实施例2和实施例3，我们可以看出，本发明可以十分方便、快速并准 确的得到待测光束的轨道角动量谱。我们只需得经测量光学系统得到远场衍射灰度图像， 将衍射图像经数据传输部传入主机即可，而无需功率计等其他任何光强测量器件。

基于上述测量光束轨道角动量谱的系统，本发明还提供了一种测量光束轨道角动 量谱的装置，其具备激光器、偏振分光棱镜、两个液晶空间光调制器、小孔光阑、扩束器、傅 里叶透镜、CCD相机、数据传输部和主机，如图8所示。其中：

所述偏振分光棱镜置于激光器发出的激光光路中，用于生成水平线偏振激光；所 述两个液晶空间光调制器的其中之一置于偏振分光棱镜后方的激光光路中，用于将高斯光 束转化为携带有多种轨道角动量的多路复用涡旋光束；所述小孔光阑置于液晶空间光调制 器的后方的激光光路中，用于滤除杂散光；所述扩束器置于小孔光阑后方的激光光路中，用 于对多路复用涡旋光束进行准直与扩束；所述两个液晶空间光调制器的另外一个置于扩束 器的后方激光光路中，用于加载达曼涡旋光栅的全息光栅图；所述傅里叶透镜置于扩束器 后液晶空间光调制器的后方的激光光路中，用于实现光场的傅里叶变换；所述CCD相机置于 傅里叶透镜的后方激光光路中且置于傅里叶透镜的像方焦平面处，用于接收变换后的衍射 光场；所述数据传输部与CCD相机相连接，用于传输远场衍射光场的灰度图像；所述主机， 接收来自于数据传输部传输的远场衍射光场的灰度图像，其包括基于达曼涡旋光栅远场衍 射光场直接得出轨道角动量谱的系统，分析远场衍射光场的灰度图像，进而得到并显示轨 道角动量谱。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施实例而已，并非用于限定本发明的保护范 围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。