專利名稱：實(shí)現(xiàn)混合螺旋相位光束軌道角動(dòng)量態(tài)解調(diào)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)含有多個(gè)軌道角動(dòng)量態(tài)的混合螺旋相位光束的軌道角 動(dòng)量態(tài)解調(diào)的方法和裝置，屬于光電應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
實(shí)現(xiàn)混合螺旋相位光束軌道角動(dòng)量態(tài)解調(diào)的裝置，能夠測(cè)量具有單一軌道 角動(dòng)量態(tài)分量和多個(gè)混合軌道角動(dòng)量態(tài)分量的光束的軌道角動(dòng)量態(tài)，這樣的裝 置在利用光束軌道角動(dòng)量進(jìn)行信息存儲(chǔ)和傳輸方面具有重要的應(yīng)用前景。
光的軌道角動(dòng)量是描述光波螺旋波前特征的一個(gè)物理量。具有exp(i/p)形式 相位因子的光束，每個(gè)光子攜帶軌道角動(dòng)量/力(/為軌道角動(dòng)量量子數(shù))，此類光
束中心存在相位奇點(diǎn)，波前呈現(xiàn)周期螺旋性，可將其光場(chǎng)分布按螺旋諧波展開(kāi)
光場(chǎng)中各個(gè)螺旋諧波分量上的能量分布，構(gòu)成了光的軌道角動(dòng)量譜，也稱
為螺旋譜。光束軌道角動(dòng)量可以取(-00,+00)區(qū)間內(nèi)的任意值，構(gòu)成無(wú)窮維向量空
間，若用光束軌道量特征態(tài)來(lái)表征信息，則軌道角動(dòng)量態(tài)可以攜帶無(wú)窮大的信 息量，這使得利用光的軌道角動(dòng)量進(jìn)行信息傳輸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。利用光束 的軌道角動(dòng)量進(jìn)行通信時(shí)，數(shù)據(jù)解調(diào)是一個(gè)必不可少的組成部分，需要檢測(cè)出 光束中所包含的各個(gè)軌道角動(dòng)量分量。
目前，實(shí)現(xiàn)光束軌道角動(dòng)量檢測(cè)的方法有多種，如利用機(jī)械作用產(chǎn)生扭矩 測(cè)量、利用二階強(qiáng)度矩測(cè)量、利用旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)測(cè)量、利用衍射光柵測(cè)量、
利用Mach-Zehnder干涉儀測(cè)量等等。其中，利用機(jī)械作用產(chǎn)生的扭矩測(cè)量和利
背景技術(shù)：
光在各個(gè)螺旋諧波分量上的能量為.-用光束二階強(qiáng)度矩測(cè)量的方法只能測(cè)量光場(chǎng)總的軌道角動(dòng)量；利用旋轉(zhuǎn)多普勒
效應(yīng)的方法難以測(cè)量包含多個(gè)角量子數(shù)螺旋分量的光束的軌道角動(dòng)量。利用衍 射光柵(相位光柵或者振幅光柵)能夠?qū)崿F(xiàn)軌道角動(dòng)量態(tài)的測(cè)量，但是，單純 利用衍射光柵只能夠測(cè)定單個(gè)軌道角動(dòng)量態(tài)或者同軸疊加的多個(gè)互不相干的軌 道角動(dòng)量態(tài)，難以測(cè)量同軸疊加的多個(gè)相干軌道角動(dòng)量態(tài)，并且很難確定各個(gè)
軌道角動(dòng)量態(tài)之間的能量分布情況。利用兩臂帶有Dove棱鏡的Mach-Zehnder 干涉儀可以分離具有不同角動(dòng)量數(shù)的螺旋光束，但這種裝置只能實(shí)現(xiàn)具有不同 角量子數(shù)的螺旋光從Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端口分別輸出，而不能確 定各輸出光的軌道角動(dòng)量態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種實(shí)現(xiàn)含有多個(gè)軌道角動(dòng)量態(tài)的混合螺旋相位光束 的軌道角動(dòng)量態(tài)解調(diào)的方法和裝置。
本發(fā)明的目的是由下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的裝置包括四個(gè)分光鏡、兩個(gè)全反射鏡、兩個(gè)Dove棱鏡、兩個(gè)衍射 光柵、兩個(gè)凸透鏡、兩個(gè)CCD探測(cè)器、兩個(gè)能量計(jì)。
所述的分光鏡能量分光比均為50/50，用作分光的分光鏡分光膜位于分光鏡 前表面，與入射光成45°角，用作合光的分光鏡分光膜位于分光鏡后表面，且 與起分光作用的分光鏡相互平行，另外兩個(gè)分光鏡分別位于Mach-Zehnder干涉 儀的兩個(gè)輸出端且互相垂直，其中 -片分光鏡與起分光作用的分光鏡相互平行； 所述的全反射鏡均為45°全反，其反射面均與起分光作用的分光鏡相互平行； 所述的兩個(gè)Dove棱鏡分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩臂上且相對(duì)旋轉(zhuǎn)過(guò)兀/n (n = 2,3,4...)的角度，Dove棱鏡相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)中心軸與光軸重合；所述的兩個(gè) 衍射光柵分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端，其中心軸與光軸重合； 所述的兩個(gè)凸透鏡分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端，且分別與同軸 上的衍射光柵呈一倍焦距的距離；所述的兩個(gè)CCD探測(cè)器分別位于 Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端，且分別與同軸上的凸透鏡呈 -倍焦距的距 離；所述的兩個(gè)能量計(jì)分別位于干涉儀輸出端分光鏡的反射輸出光軸上。
本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)含有多個(gè)軌道角動(dòng)量態(tài)的混合螺旋相位光束的軌道角動(dòng) 量態(tài)解調(diào)的方法由三個(gè)功能塊構(gòu)成，具體步驟為
①實(shí)現(xiàn)不同角量子數(shù)螺旋光的分離，具體步驟為Mach-Zehnder干涉儀兩臂上的Dove棱鏡相對(duì)旋轉(zhuǎn)過(guò)7i/n (n = 2,3,4...)的 角度時(shí)，對(duì)于角量子數(shù)為/的螺旋光束將引入2/兀/n的附加相位差，譬如n-2 時(shí)角量子數(shù)為/的螺旋光束將引入/tc的附加相位差，可實(shí)現(xiàn)角量子數(shù)為奇數(shù)和 偶數(shù)的螺旋光束從Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端分別輸出；
② 實(shí)現(xiàn)光束中各螺旋分量能量的測(cè)量，具體步驟為
在Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端上.分別插入相同的50/50分光鏡并 用能量計(jì)測(cè)量反射能量，即可測(cè)得待測(cè)光束中螺旋分量的能量分布情況。
③ 實(shí)現(xiàn)光束中包含螺旋分量軌道角動(dòng)量態(tài)的測(cè)量，具體步驟為
在Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端上兩個(gè)分光鏡的透射光分別入射到衍 射光柵上，通過(guò)觀測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)衍射場(chǎng)各衍射級(jí)的分布情況可以分別確定兩個(gè)輸出端 上輸出光的軌道角動(dòng)量態(tài)。 有益效果
采用本發(fā)明能夠檢測(cè)混合螺旋相位光束中所包含的各個(gè)螺旋分量的軌道角 動(dòng)量態(tài)和各個(gè)螺旋分量的能量分布情況。
圖l是本發(fā)明的原理圖，圖中，l-分光鏡，2-分光鏡，3-分光鏡，4-分光鏡， 5陽(yáng)全反射鏡，6-全反射鏡，7-Dove棱鏡，8-Dove棱鏡，9-衍射光柵，10-衍射光 柵，11-凸透鏡，12-凸透鏡，13-CCD探測(cè)器，14-CCD探測(cè)器，15-能量計(jì)，16-
能量計(jì)。
圖2是本發(fā)明可采用的替代方案，圖中的9-衍射光柵和10-衍射光柵生成的 遠(yuǎn)場(chǎng)衍射場(chǎng)各衍射級(jí)能量分布相等。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說(shuō)明。
如

圖1所示，本發(fā)明的裝置包括分光鏡1、 2、 3、 4、全反射鏡5、 6、 Dove 棱鏡7、 8、衍射光柵9、 10、凸透鏡ll、 12、'CCD探測(cè)器13、 14、能量計(jì)15、 16。分光鏡1、 2、 3、 4能量分光比為50/50，分光鏡1的分光膜位于入射前表 面，與入射光成45°角，分光鏡2的分光膜位于入射后表面，且與分光鏡l相 互平行，分光鏡3、 4分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端且互相垂直， 分光鏡3與分光鏡1相互平行；全反射鏡5、 6為45°全反，其反射面均與分光 鏡1相互平行；Dove棱鏡7、 8分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩臂上且相對(duì) 旋轉(zhuǎn)過(guò)7i/n (n = 2,3，4...)的角度，Dove棱鏡相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)中心軸與光軸重合；衍射光柵9、 10分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端其中心軸與光軸重合； 凸透鏡ll、 12分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端，且分別與衍射光柵 9、 IO呈一倍焦距的距離；CCD探測(cè)器13、 14分別位于Mach-Zehnder干涉儀 的兩個(gè)輸出端，且分別與凸透鏡11、 12呈一倍焦距的距離；能量計(jì)15、 16分 別位于分光鏡3、 4的反射輸出端。具體的實(shí)施步驟為入射光束經(jīng)分光鏡l后 分為能量相等的兩束光分別進(jìn)入Mach-Zehnder干涉儀的兩臂，由于干涉儀兩臂 上的Dove棱鏡相對(duì)旋轉(zhuǎn)過(guò)兀/n (n = 2,3,4...)的角度，使得干涉儀兩臂中的光束 引入2/7c/n的附加相位差(/為角量子數(shù))，不同角量子數(shù)的螺旋分量從 Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端分別輸出，在干涉儀兩個(gè)輸出端上的分光鏡 3、4反射一半輸出能量照射到能量計(jì)15、 16上用于測(cè)量螺旋分量能量分布情況， 透射能量照射到衍射光柵9、 10上用于確定螺旋分量的軌道角動(dòng)量態(tài)，此處若 采用各衍射級(jí)能量均勻分布的衍射光柵，則可以省去分光鏡3、4以及能量計(jì)15、 16)，如圖2所示。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)含有多個(gè)軌道角動(dòng)量態(tài)的混合螺旋相位光束的軌道角動(dòng)量態(tài)解調(diào)的裝置，包括四個(gè)50/50分光鏡(1)(2)(3)(4)、兩個(gè)45°全反射鏡(5)(6)、兩個(gè)Dove棱鏡(7)(8)、兩個(gè)衍射光柵(9)(10)、兩個(gè)凸透鏡(11)(12)、兩個(gè)CCD探測(cè)器(13)(14)、兩個(gè)能量計(jì)(15)(16)。其特征在于分光鏡(1)的分光膜位于入射前表面，與入射光成45°角，分光鏡(2)的分光膜位于入射后表面，且與分光鏡(1)相互平行，分光鏡(3)(4)分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端且互相垂直，分光鏡(3)與分光鏡(1)相互平行；全反射鏡(5)(6)反射面均與分光鏡(1)相互平行；Dove棱鏡(7)(8)分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩臂上且相對(duì)旋轉(zhuǎn)過(guò)π/n(n＝2，3，4...)的角度，Dove棱鏡相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)中心軸與光軸重合；衍射光柵(9)(10)分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端其中心軸與光軸重合；凸透鏡(11)(12)分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端，且分別與衍射光柵(9)(10)呈一倍焦距的距離；CCD探測(cè)器(13)(14)分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端，且分別與凸透鏡(11)(12)呈一倍焦距的距離；能量計(jì)(15)(16)分別位于分光鏡(3)(4)的反射輸出端。
2. —種實(shí)現(xiàn)含有多個(gè)軌道角動(dòng)量態(tài)的混合螺旋相位光束的軌道角動(dòng)量 態(tài)解調(diào)的方法，其特征在于① 實(shí)現(xiàn)不同角量子數(shù)螺旋光的分離，Mach-Zehnder干涉儀兩臂上的 Dove棱鏡相對(duì)旋轉(zhuǎn)過(guò)兀/n (n = 2,3,4...)的角度時(shí)，對(duì)于角量子數(shù)為/的螺 旋光束將引入2/Ti/n的附加相位差，譬如n = 2時(shí)角量子數(shù)為/的螺旋光束 將引入/71的附加相位差，可實(shí)現(xiàn)角量子數(shù)為奇數(shù)和偶數(shù)的螺旋光束從 Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè)輸出端分別輸出；② 實(shí)現(xiàn)光束中各螺旋分量能量的測(cè)量，在Mach-Zehnder干涉儀的兩個(gè) 輸出端上，分別插入相同的50/50分光鏡并用能量計(jì)測(cè)量反射能量，即可 測(cè)得待測(cè)光束中螺旋分量的能量分布情況；③ 實(shí)現(xiàn)光束中包含螺旋分量軌道角動(dòng)量態(tài)的測(cè)量，在Mach-Zehnder 干涉儀的兩個(gè)輸出端上兩個(gè)分光鏡的透射光分別入射到衍射光柵上，通過(guò) 觀測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)衍射場(chǎng)各衍射級(jí)的分布情況可以確定兩個(gè)輸出端上輸出光束的軌 道角動(dòng)量態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)含有多個(gè)軌道角動(dòng)量態(tài)的混合螺旋相位光束的軌道角動(dòng)量態(tài)解調(diào)的方法和裝置。本發(fā)明包括四個(gè)50/50分光鏡、兩個(gè)45°全反射鏡、兩個(gè)Dove棱鏡、兩個(gè)衍射光柵、兩個(gè)凸透鏡、兩個(gè)CCD探測(cè)器、兩個(gè)能量計(jì)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)不同角量子數(shù)螺旋光的分離，實(shí)現(xiàn)光束中各螺旋分量能量的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)光束中包含螺旋分量軌道角動(dòng)量態(tài)的測(cè)量。本發(fā)明采用兩臂帶有Dove棱鏡的Mach-Zehnder干涉儀分離光束中不同角量子數(shù)螺旋分量，采用分光鏡和能量計(jì)測(cè)量光束中各個(gè)螺旋分量的能量分布情況，并采用衍射光柵標(biāo)定分離出的螺旋分量的軌道角動(dòng)量態(tài)。本發(fā)明在光軌道角動(dòng)量信息存儲(chǔ)和傳輸領(lǐng)域有應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01J9/00GK101587281SQ200910086930
公開(kāi)日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者劉義東, 高明偉, 高春清, 齊曉慶 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)