基于波前转换法的光子轨道角动量测量系统及方法与流程

本发明涉及一种光子轨道角动量测量系统及方法，涉及量子技术中的单光子探测技术领域。

背景技术：

光子轨道角动量可以加载无穷多维信息，在通信和探测领域都是信息良好载体，有时候回波信号十分微弱，目前缺少光子量级轨道角动量的探测方法。传统的强度干涉的方法不适用于光子量级的微弱信号轨道角动量测量，传统的干涉仪级联探测的方式，对于轨道角动量种类较多的情况，级联难度指数性增加，并且大量分束器会引起由于仪器不理想和传输损耗导致的探测误差，种类越多，误差越大。因此急需单光子量级的光子轨道角动量量子数的简易探测方法。

技术实现要素：

本发明为了克服上述现有技术的不足，实现光子量级的光子轨道角动量量子数的简易探测，进而提供了一种基于波前转换法的光子轨道角动量测量系统及方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于波前转换法的光子轨道角动量测量系统，所述系统包括氦氖激光器、准直扩束系统、三个分束器、第一反射式空间光调制器、第二反射式空间光调制器、第三反射式空间光调制器、第一聚束系统、第二聚束系统、过滤系统、扩束系统、傅里叶变换系统以及CCD阵列探测器；

氦氖激光器用于产生高斯型激光束，准直扩束系统用于将激光信号扩束；第一个分束器将扩束后激光信号的一部分透射，传输给第一反射式空间光调制器；第一反射式空间光调制器加载螺旋相位图样，对激光束进行调制，将高斯光束变成拉盖尔—高斯光束，并再通过该分束器垂直入射聚束系统，通过过滤系统将杂散光和一部分衍射光斑滤掉，并利用扩束系统再次扩束，至此，带有轨道角动量的光束已经产生；

带有轨道角动量的光束经过第二个分束器反射给第二反射式空间光调制器进行调制，调制器中加载特定图样，区分各种不同的轨道角动量，反射后再通过该第二个分束器透射后通过傅里叶变换系统传给第三个分束器，

经第三个分束器透射后将光束利用第三反射式空间光调制器对调制后的相位进行补偿，最后将补偿后的光束经过第二聚束系统聚焦在CCD阵列探测器上，此时探测器上亮条纹位置代表轨道角动量的量子数。

轨道角动量光束产生采用反射式空间光调制器加载螺旋相位图样，所述反射式空间光调制器为1920x1152高分辨率液晶空间光调制器。

接收端采用CCD阵列探测器对调制光束进行一次性聚焦成像。

采用空间光调制器对光束相位进行补偿并配合CCD阵列探测器，可一次性获得光束轨道角动量量子数信息，可应用于单光子水平轨道角动量量子数的探测。

过滤系统中包括光阑和窄带滤光片，用于减弱背景噪声和衍射图样中杂散光的影响，窄带滤光片的参数为：波长632.8nm，激光纯化滤光片，带宽2nm，中心波长透过率≥90％。

分束器为分光棱镜：用于对光束能量的分光，分光棱镜的参数：材料为K9玻璃，尺寸25.4×25.4×25.4mm³，分光比50:50，偏差±5％，平均偏振，波长450-650nm，斜面镀部分反射膜，所有直角面增透。

所述傅里叶变换系统是一个经过特殊加工的透镜，能产生一个与谱点非线性误差大小相等符号相反的畸变值，满足正弦条件，当出射光线满足正弦条件时，像点坐标与空间频率成线性关系。

所述氦氖激光器(1)为激光器功率稳定性小于3％的能够输出光斑均匀的高质量高斯型激光的氦氖激光器。

一种利用上述任一权利要求所述系统获取轨道角动量的量子数的方法，首先激光器产生高斯光束，反射式空间光调制器加载螺旋相位图样，经过第一反射式空间光调制器后产生拉盖尔—高斯光束，拉盖尔—高斯光束具有螺旋相位因子exp(ilθ)，其中i为虚数，l为光子轨道角动量量子数，θ为方位角。

随后被第二反射式空间光调制器与第三反射式空间光调制器联合调制，第二反射式空间光调制器与第三反射式空间光调制器内加载的图样信息将拉盖尔—高斯光束从本来与方位角(exp(ilθ))有关的轨道角动量模式转化成与位置相位(exp(ilx/a))有关的动量模式，其中参数a表示变换的缩放尺度，x表示变换后的坐标。

此时光束将从原来的圆环形涡旋光束伸展成水平有一定宽度的矩形光束，随后经过傅里叶变换透镜进行傅里叶变换，光学元件映射为(x,y)→(u,v)，其中(x,y)和(u,v)分别为输入平面和输出平面的二维直角坐标系统表示，相应的即为v＝a arctan(y/x)，光学元件的变换即为：

${\mathrm{\φ}}_1(x,y)=\frac{2\mathrm{\π}a}{\mathrm{\λ}f}\[yarctan\left(\frac{y}{x}\right)-xln\left(\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{b}\right)+x\]---\left(1\right)$

其中λ为输入光束的波长，f为傅里叶变换透镜的的焦距长度，且a＝d/2π，d为变换光束的长度，b可以独立于a之外进行选择，并表示u方向上的变换图像。

通过固定相位近似，得出需要的相位补偿为：

${\mathrm{\φ}}_2(u,v)=-\frac{2\mathrm{\π}ab}{\mathrm{\λ}f}\exp (-\frac{u}{a})cos\left(\frac{v}{a}\right)---\left(2\right)$

使用聚束系统让其成像在CCD阵列探测器上，最终在阵列观察屏上横向角位置是一个关于量子数l的函数，即：

${\mathrm{\θ}}_l=\frac{\mathrm{\λ}f}{d}l---\left(3\right)$

在小角度情况下，sinθ_l≈θ_l，即每相邻量子数l值之间的方位角差值为θ_l，不同方位角对应不同的横向坐标，测定所述坐标确定轨道角动量量子数l；

通过增大λ、增大f或减小d来增大系数使得条纹之间间距变大避免交叠，最后选定l＝0的位置，向两侧数亮条纹所在角位置得到光束中所包含的轨道角动量量子数l。

本发明的有益效果是：该发明基于波前转换法的光子轨道角动量测量系统可以光强为单光子量级的情况下，同时获得光束中的轨道角动量量子数的信息，而且系统利用空间光调制器加载螺旋相位图样产生带有轨道角动量的光束，可重复性强，操作自由度更大，同时采用空间光调制器对光束进行相位补偿，增强成像效果，提升系统性噪比。本发明特别是一种单光子量级的光子轨道角动量量子数测量系统。

本发明解决了现有光子量级轨道角动量探测需要多干涉仪级联问题，它能简单方便地对光子量级的光子轨道角动量进行准确测量。它将发射的激光信号经过多次空间光调制器和傅里叶变换系统进行调制，然后将被调制的带有轨道角动量的信号脉汇集到CCD探测阵列上，可以通过探测器上图样位置分辨出信号中轨道角动量量子数。本发明适合于单光子量级的轨道角动量量子数测量。

附图说明

图1是本发明的波前转换法的光子轨道角动量测量系统的结构框图；图2是经过第一反射式空间光调制器4后的光束图样；图3是经过第三反射式空间光调制器10后的光束图样；图4是在第二聚束系统11、CCD阵列探测器12之间传输时偏折角度与角动量量子数关系示意图。图5是利用本发明所述系统的成像条纹角位置及归一化光强仿真图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1至5所示，本实施方式所述的基于波前转换法的光子轨道角动量测量系统，包括氦氖激光器1、准直扩束系统2、三个分束器3、第一反射式空间光调制器4、第二反射式空间光调制器8、第三反射式空间光调制器10、第一聚束系统5、第二聚束系统11、过滤系统6、扩束系统7、傅里叶变换系统9以及CCD阵列探测器12；

氦氖激光器1用于产生高斯型激光束，准直扩束系统2用于将激光信号扩束；第一个分束器3将扩束后的激光信号一部分被透射继续传输给第一反射式空间光调制器4；第一反射式空间光调制器4加载螺旋相位图样，对激光束进行调制，将高斯光束变成拉盖尔—高斯光束，并再通过该分束器3垂直入射聚束系统5，通过过滤系统6将杂散光和一部分衍射光斑滤掉，并利用扩束系统7再次扩束，至此，带有轨道角动量的光束已经产生；

带有轨道角动量的光束经过第二个分束器3反射给第二反射式空间光调制器8进行调制，加载特定图样，区分各种不同的轨道角动量，反射后再通过该第二个分束器3透射后通过傅里叶变换系统9传给第三个分束器3。

经第三个分束器3透射后将光束利用第三反射式空间光调制器10对调制后的相位进行补偿，最后将补偿后的光束经过第二聚束系统11聚焦在CCD阵列探测器12上，此时探测器上亮条纹位置代表轨道角动量的量子数。

具体实施方式二：如图1所示，本实施方式中，轨道角动量光束产生采用反射式空间光调制器加载螺旋相位图样，所述反射式空间光调制器为1920x1152高分辨率液晶空间光调制器。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式中，接收端采用CCD阵列探测器对调制光束进行一次性聚焦成像。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式中采用空间光调制器对光束相位进行补偿并配合CCD阵列探测器，可一次性获得光束轨道角动量量子数信息，可应用于单光子水平轨道角动量量子数的探测。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式中，过滤系统(6)中包括光阑和窄带滤光片，用于减弱背景噪声和衍射图样中杂散光的影响，窄带滤光片的参数：波长632.8nm，激光纯化滤光片，带宽2nm，中心波长透过率＞90％。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：如图1所示，本实施方式中，分束器(3)为分光棱镜：用于对光束能量的分光，分光棱镜的参数：材料为K9玻璃，尺寸25.4×25.4×25.4mm³，分光比50:50，偏差±5％，平均偏振，波长450-650nm，斜面镀部分反射膜，所有直角面增透。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：如图1所示，本实施方式所述的7、根据权利要求6所述的一种基于波前转换法的光子轨道角动量测量系统，其特征在于：所述傅里叶变换系统9是一个经过特殊加工的透镜，能产生一个与谱点非线性误差大小相等符号相反的畸变值，满足正弦条件，当出射光线满足正弦条件时，像点坐标与空间频率成线性关系。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：如图1所示，本实施方式中，所述氦氖激光器1为激光器功率稳定性小于3％的能够输出光斑均匀的高质量高斯型激光的氦氖激光器。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：如图1至5所示，本实施方式给出轨道角动量量子数获取方法：

经过第一空间光调制器后的拉盖尔高斯光束相位分布如图2，内有l个相位循环，l为轨道角动量量子数。随后通过聚束和扩束系统后到达第二空间光调制器，被调制成图三所示的矩形光斑，但从左至右依然存下l个相位循环，经过傅里叶变换后变成条纹图样，条纹经过第三空间光调制器进行调制，使得条纹变窄，如图5，更利于观察，最后的条纹通过透镜聚束汇集到CCD阵列探测器上，不同轨道角动量的光子偏转角度不同，如图4。

具体过程如下：首先激光器产生高斯光束，反射式空间光调制器加载螺旋相位图样，经过反射式空间光调制器1后产生拉盖尔—高斯光束，其主要特点是具有螺旋相位因子exp(ilθ)，随后被反射式空间光调制器2与3联合调制，空间光调制器2与3内加载的图样信息，将拉盖尔——高斯光束从本来与方位角(exp(ilθ))有关的轨道角动量模式转化成与位置相位(exp(ilx/a))有关的动量模式，其中参数a表示变换的缩放尺度，此时光束将从原来的圆环形涡旋光束伸展成水平有一定宽度的矩形光束，随后经过傅里叶变换透镜进行傅里叶变换，光学元件映射为(x,y)→(u,v)，其中(x,y)和(u,v)分别为输入平面和输出平面的二维直角坐标系统表示，相应的即为v＝a arctan(y/x)，光学元件的变换即为：

${\mathrm{\φ}}_1(x,y)=\frac{2\mathrm{\π}a}{\mathrm{\λ}f}\[yarctan\left(\frac{y}{x}\right)-xln\left(\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{b}\right)+x\]---\left(1\right)$

其中λ为输入光束的波长，f为傅里叶变换透镜的的焦距长度，且a＝d/2π，d为变换光束的长度，b可以独立于a之外进行选择，并表示u方向上的变换图像。

通过固定相位近似，可以得出需要的相位补偿为：

${\mathrm{\φ}}_2(u,v)=-\frac{2\mathrm{\π}ab}{\mathrm{\λ}f}\exp (-\frac{u}{a})cos\left(\frac{v}{a}\right)---\left(2\right)$

因为变换光束是矩形的，所以衍射极限焦斑是细长的。又因为傅里叶变换相当于夫琅禾费远场衍射，成像于无穷远，无法观察，因此我们使用聚束系统让其成像在CCD阵列探测器上。最终在阵列观察屏上横向角位置是一个关于量子数l的函数，即：

${\mathrm{\θ}}_l=\frac{\mathrm{\λ}f}{d}l---\left(3\right)$

因为角度较小，所以sinθ_l≈θ_l，即每相邻量子数l值之间的方位角差值为θ_l，即不同方位角对应不同的横向坐标，只要测定坐标就可以确定轨道角动量量子数l。

从式中可以看出，前面系数选定后为一个定值，如果所有量子数在光束里都有，最终图样是一个等间距的条纹。可以通过调节，即增大λ，增大f和减小d来增大系数，使得条纹之间间距变大，不容易产生交叠以至于难以分辨。

所以最后选定l＝0的位置，向两侧数亮条纹所在数字位置就可以得到光束中所包含的轨道角动量量子数l(如图5所示)。

本发明所述的基于波前转换法的光子轨道角动量测量系统包括高稳定性氦氖激光器，准直扩束系统，分束器，反射式空间光调制器，聚束系统，过滤系统，扩束系统，傅里叶变换系统，以及CCD阵列探测器。主要模块和器件如下：

激光器：激光器作为系统的光源，要求具有较高的功率稳定性，同时要求激光器能够输出光斑均匀的高质量高斯型激光。激光器功率稳定性小于3％。

反射式空间光调制器：1920x1152高分辨率液晶空间光调制器具有高分辨相位调制。是基于LCOS(Liquid Crystal on Silicon)技术通过精确的控制电压信号控制液晶的旋转角度及旋转的速度，可以实现位相的精确调制，采用扭曲向列液晶材料，利用扭曲向列液晶的双折射效应，实现对光束的波前调制。

准直扩束光学系统：准直扩束光学系统是对发射的激光进行准直扩束的光学镜头，减小激光的束散角。

聚束光学系统：聚束光学系统是对近似平行的光束进行收集汇聚。并保证压缩后发散角很小，近似平行。

过滤系统：过滤系统中还包括光阑和窄带滤光片，用于减弱背景噪声和衍射图样中杂散光的影响。器件参数：波长632.8nm，激光纯化滤光片，带宽2nm，中心波长透过率＞90％。

普通分光棱镜：用于对光束能量的分光。器件参数：材料为K9玻璃，尺寸25.4×25.4×25.4mm³，分光比50:50，偏差±5％，平均偏振，波长450-650nm，斜面镀部分反射膜，所有直角面增透。

傅里叶变换系统：傅里叶变换系统是一个经过特殊加工的透镜，能产生一个与谱点非线性误差大小相等符号相反的畸变值，满足正弦条件，当出射光线满足正弦条件时，像点坐标与空间频率成线性关系。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。