[发明专利]一种测量光束轨道角动量谱的装置与系统

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，设定初始光斑号变量L为13；

第二控制部，其将光斑号变量减1，即将(L-1)赋值给L；

判断部，其判断光斑号变量L的大小，若光斑号变量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 变量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；