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

技术特征：

1.一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)将扩束后激光信号的一部分透射，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，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(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。

2.根据权利要求1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：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。

3.根据权利要求2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：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。

4.根据权利要求3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：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。

5.根据权利要求4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：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，窄带滤光片的参数为：波长632.8nm，激光纯化滤光片，带宽2nm，中心波长透过率≥90％。

6.根据权利要求5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：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。

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。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7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。

9.一种利用权利要求1至8中任一权利要求所述系统获取轨道角动量的量子数的方法，其特征在于：

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＝aarctan(y/x)，光学元件的变换即为：

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