一种用于探测多路复用涡旋光束的复合光栅及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种用于测量多路复用涡旋光束的复合光栅 及测量方法。
【背景技术】
[0002] 涡旋光束是一种新型的光束，与一般高斯光束相比，其具有连续螺旋形波前。在光 束中心由于相位不确定，存在相位奇点，因此其横截面光强分布表现为一中空的环形。常见 的涡旋光束是拉盖尔高斯光束和贝塞尔光束。涡旋光束的螺旋形波前是光束轨道角动量算 符的特征态，而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。这样可用单光子承载无穷多的相互正交的轨 道角动量态，可大大拓展光通信的信道容量。同时，涡旋光束在光镊技术、量子通信、旋转 体转速的测量等诸多领域具有十分重要的应用价值，这使其逐渐成为学术界的热门研究课 题。
[0003]目前常见的涡旋光束的探测方法，主要有柱面镜法、干涉法以及衍射光栅法等。其 中衍射光栅法由于操作简单，是目前最常使用的方法。常见的衍射光栅有单缝、三角孔、叉 状光栅、达曼涡旋光栅等，但这些光栅仍然不能满足涡旋光束的探测需求。首先，三角孔、单 缝等只能探测单一的涡旋光束，对于多路复用的涡旋光束是无法探测的；其次，叉状光栅、 达曼涡旋光栅等可探测多路复用的涡旋光束，但其轨道角动量态的探测范围分别为-4~ +4和-12~+12,若要探测更高阶次的涡旋光束，对于叉状光栅需要增加叉指数，这无疑增 加了制作的难度；对于达曼涡旋光栅来说，则需要制作7X7阵列的达曼光栅，但阵列中不 同模式的相互叠加干涉以及空间光调制器的分别率问题限制了它的实际使用。因此，人们 需要一新型的衍射光栅来探测多路涡旋光束，要求其既制作、使用方便，又能有效的扩大其 轨道角动量态的测量范围。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提供了一种新型的复合光栅，其既制作、使用方便，且可将多路 复用涡旋光束轨道角动量态的探测范围拓展至-24~+24。使用时，只需将本发明提供的复 合光栅分别加载在探测系统中的两个空间光调制器上，当多路复用涡旋光束入射时，通过 观察两个CCD相机上得到的远场衍射图案即可确定入射涡旋光束的轨道角动量态。当不同 的复用涡旋光束入射时，无需重新调节光路，可直接读出测量结果。
[0005] 本发明的一种用于测量多路复用涡旋光束的复合光栅，由一 5X5达曼涡旋光栅 分别与+12阶和-12阶螺旋相位片的全息光栅叠加而成。
[0006] 本发明的一种测量多路复用涡旋光束的方法，首先将本发明提供的复合光栅分别 加载在探测系统中的两个液晶空间光调制器上，然后将待测涡旋光束入射到探测系统中， 通过读取探测系统中两个CCD相机得到的远场衍射图案即可快速得到待测多路复用涡旋 光束的轨道角动量成分。
[0007] 本发明的一种测量多路复用祸旋光束的装置，包括激光器、偏振分光棱镜、三个液 晶空间光调制器、小孔光阑、扩束器、分光棱镜、全反镜、两个傅里叶透镜和两个CCD相机， 其中：
[0008] 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；
[0009] 所述三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；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 所述分光棱镜置于扩束器后方的激光光路中，用于将入射涡旋光束分成等强度的 两束涡旋光束，两束光分别以反射和透射形式出射；
[0013] 所述全反镜置于分光棱镜的反射光路中，用于增加一次反射次数，使反射光路中 的涡旋光束的轨道角动量态与透射光路和待测涡旋光束保持一致；
[0014] 所述三个液晶空间光调制器中的另外两个分别置于分光棱镜的透射光路和全反 镜后方的激光光路中，用于分别加载两个复合光栅；
[0015] 所述两个傅里叶透镜分别置于分光棱镜的透射光路和反射光路中的液晶空间光 调制器的后方激光光路中，用于实现光场的傅里叶变换；
[0016] 所述两个CCD相机分别置于两个傅里叶透镜后方的激光光路中且置于像方焦平 面处，用于接收变换后的衍射光场。
[0017] 本发明具有如下有益效果：
[0018] (1)本发明可十分快速并准确的确定入射多路复用涡旋光束的轨道角动量态。
[0019] (2)本发明提供的用于测量多路复用涡旋光束的复合光栅及测量装置，其将轨道 角动量态的测量范围拓展至-24~+24,相比现有多路复用涡旋光束探测技术具有很大的 进步。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明的可探测多路复用涡旋光束的复合光栅的示意图。
[0021] 图2为本发明的可探测多路复用涡旋光束的复合光栅的生成过程示意图。
[0022] 图3 (a)为高斯光束入射到图1所示左侧复合光栅时的远场衍射仿真图样与相应 的轨道角动量态分布图。
[0023] 图3 (b)为高斯光束入射到图1所示右侧复合光栅时的远场衍射仿真图样与相应 的轨道角动量态分布图。
[0024] 图4为对于图3的实验结果图。
[0025] 图5中从左至右分别为角量子数为-9的涡旋光束的光强分布与其入射到本发明 提供的探测系统后，两个CCD相机分别接收到的实验图案。
[0026] 图6中从左至右分别为角量子数为+20的祸旋光束的光强分布与其入射到本发明 提供的探测系统后，两个CCD相机分别接收到的实验图案。
[0027] 图7中从左至右分别为角量子数为-12和+8的两路复用涡旋光束的光强分布与 其入射到本发明提供的探测系统后，两个CCD相机分别接收到的实验图案。
[0028] 图8为基于本发明提供的复合光栅探测多路复用涡旋光束的探测装置示意图。图 中，1-激光器，2-偏振分光棱镜，3-液晶空间光调制器，4-小孔光阑，5-扩束器，6-分光棱 镜，7-液晶空间光调制器，8-傅里叶透镜，9-CCD相机，10-全反镜，11-液晶空间光调制器， 12-傅里叶透镜，13-CCD相机。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图并实施例，对本发明做一详细描述。
[0030] 本发明的一种用于探测多路复用涡旋光束的复合光栅，如图1所示，其由两部分 组成。第一部分由5X5达曼涡旋光栅叠加 +12阶螺旋相位片的全息光栅图得到，第二部分 由5X5达曼涡旋光栅叠加-12阶螺旋相位