一种柱状模式转换透镜及基于该透镜的高斯光模式转换器的制作方法

本实用新型属于光学技术领域，具体涉及一种柱状模式转换透镜及基于该透镜的高斯光模式转换器。

背景技术：

无论在经典的信息领域，还是在目前正在发展的量子信息领域，光始终是一种重要的信息载体。在经典信息领域，人们利用光的强度、频率、偏振等进行信息编码；在量子信息领域，最常用的是利用光子的偏振态进行信息编码。近些年，光子的另外一个物理量——光子轨道角动量越来越多的受到关注，并被应用到量子信息领域，进行高维编码。目前，典型的带有轨道角动量的光束是拉盖尔高斯(LG：Laguerre-Gaussian)光束，我们需要可靠的LG模式光产生方法，这对于量子调控、量子计算、量子通信、量子力学基本问题的验证等有着十分重要的意义。

LG模和HG模从数学上来看是两套正交完备的基矢。因而他们可以相互展开，或者说相互转换。在物理上，HG模和LG模可以通过一对柱面相散透镜完成。两个柱状透镜需要平面相对，共轴放置，且要求平面之间的距离为√2f(f是柱状透镜的焦距)。这个柱状透镜构成的模式转换器是通过像散在水平和竖直的HG模中引入不同的古伊相移来实现将HG之间的叠加系数调整为展开系数从而实现HG模向LG模的转换。转换前后HG模和LG模的关系为：l＝(m-n),p＝min{m,n}。相比于LG模，HG模能较为容易的从激光器中产生：在激光腔中插入一个可移动的十字线状物体就可以迫使激光在腔中以高阶HG模式谐振。事实上，这个方法得到的LG模式纯度非常高，并且转换效率也非常高。损耗来源于转换器摆放位置的误差和反射光，这对调节的要求非常高，所以我们希望设计一个非常稳定的高斯光模式转换器。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种柱状模式转换透镜及基于该透镜的高斯光模式转换器，大大简化了仪器结构，同时使操作相对容易而且有较好的稳定性。

为了达到上述目的，一种柱状模式转换透镜，包括长方体透镜，长方体透镜的两个端面上为相互平行的两个柱状面。

所述长方体透镜与两个柱状面的总长度为L1，L1＝8.48×n/(n-1)，n为材料的折射率，长方体透镜的长度为L2，L2＝L1-2.1826。

所述柱状面的半径为12mm，长方体透镜的宽度为20mm，长方体透镜的高度为10mm。

一种基于柱状模式转换透镜的高斯光模式转换器，包括入射光束，入射光束的出射光路上依次设置有凸透镜和柱状模式转换镜。

所述入射光束、凸透镜和柱状模式转换镜和共轴设置。

所述凸透镜和柱状模式转换镜为柱状模式转换器主体。

与现有技术相比，本实用新型的柱状模式转换透镜有两个相互平行的柱状面，可见柱状模式转换透镜的原理与一对平行放置的柱状透镜相似，当一束光场分布斜向45°方向的HG光射入透镜后，光场在柱状透镜内垂直传播方向的两个方向上将会有不同的相位差。当光束穿过柱状透镜后，两方向的相位差恰好可以使HG光转化为LG光。若入射的是LG光的话，同理可知出射光为HG光。

本实用新型的高斯光模式转换器用一个柱状模式转换透镜代替柱状透镜对，相当于间距固定，省去了调节间距的步骤，同时整体移动也不会有影响，全部原件都是光学元件，不需要电源就可以使用，因此不会受电源电压波动等的影响；另外所有的光学元件都集成在镜筒内，不易受外力所影响，因此有很好的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型柱状模式转换透镜的主视图；

图2为本实用新型柱状模式转换透镜的侧视图；

图3为本实用新型柱状模式转换透镜的俯视图；

图4为本实用新型高斯光模式转换器的结构示意图；

其中，1、入射光束；2、凸透镜；3、柱状模式转换镜；4、柱状模式转换器主体；5、出射光路；6、长方体透镜；7、柱状面。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

参见图1、图2和图3，一种柱状模式转换透镜包括长方体透镜6，长方体透镜6的两个端面上为相互平行的两个柱状面7，长方体透镜6与两个柱状面7的总长度为L1，L1＝8.48×n/(n-1)，n为材料的折射率，长方体透镜6的长度为L2，L2＝L1-2.1826。

优选的，柱状面7的半径为12mm，长方体透镜4的宽度为20mm，长方体透镜6的高度为10mm。

参见图4，一种基于柱状模式转换透镜的高斯光模式转换器，包括入射光束1，入射光束1的出射光路5上依次设置有凸透镜2和柱状模式转换镜3，入射光束1、凸透镜2和柱状模式转换镜3共轴设置，凸透镜2和柱状模式转换镜3为柱状模式转换器主体4。

本实用新型的高斯光模式转换器由柱状模式转换透镜、镜筒、调节透镜、架台、准直配件等原件组成。主要分为镜筒和可调架台两个模块，分别负责光束模式转换和调整镜筒位置。在使用的时候只要调整好镜筒位置和镜筒前的透镜位置就可以实现对入射光束模式的转换。由于使用了一体化的柱状模式转换透镜替代普通的柱状透镜对，因而大大简化了仪器结构，同时使操作相对容易而且有较好的稳定性。

高斯光模式转换器的原理十分简单，其核心元件是装在镜筒中的柱状模式转换透镜。过去对于高斯光的模式转换都是通过一对平行布置的平凸柱状透镜来实现的，若入射光是厄米-高斯光(HG光)则其在入射到柱状透镜上后，在两个透镜之间的区域内的两个方向上将会有不同的形式，因此也会有不同的相位，在光束经过透镜后两个方向会有一个相位差，只要调整出合适的相位差就可以将HG光转化为拉盖尔-高斯光(LG光)，反之亦然。而如果使用设计一种柱状模式转换透镜，其两面都是柱面，效果相当于一对平凸柱状透镜，只要透镜的厚度合适，就可以实现用简单的结构实现对于高斯光的模式转换。而本人在参考了部分文献后独立设计出了这种符合要求的柱状模式转换透镜。

为了实现对光束的模式转换需要入射光的束腰半径满足一定的条件，因此需要在柱状模式转换透镜前面放置一个凸透镜来实现对入射光的调制。而本装置将凸透镜也整合了进去，这样的话可以保证凸透镜与柱状模式转换透镜共轴，这样在调整的时候只需要调整凸透镜与柱状模式转换透镜的相对位置，极大地简化了操作难度。