涡旋光的干涉测量方法与系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自由空间通信与量子通信网络领域，具体涉及涡旋光的干涉测量方法 与系统。
【背景技术】
[0002] 1992年，荷兰莱顿大学的Allen团队从理论上证明光子中含有确定的轨道角动量 (Orbital Angular Momentum,0AM)/? c 一个光子0AM值为./A对应螺旋形等相位面，螺旋相 位项为exp(il<i))，l为0ΑΜ拓扑荷，1的正负符号代表旋转方向不同，Φ为极坐标系中的极 角。具有0ΑΜ的涡旋光在量子信息处理、原子操纵、微操作和生命科学以及远程传感等领域 具有潜在的应用。因此，对涡旋光的拓扑荷进行精确测量具有非常重要的意义。
[0003] 对涡旋光拓扑荷的测量包括对其阶数和符号的测量。携带有涡旋相位板的方形环 路装置可以对涡旋光的拓扑荷进行调制。如果涡旋光经过奇数次反射后，涡旋光拓扑荷的 符号将会改变。最近几年，为了简单起见，一般利用衍射方法对涡旋光的拓扑荷进行测量。 2009年，涡旋光经过环形孔的衍射，通过对衍射强度图的分析可以测量涡旋光的最大整数 拓扑荷阶数为9。2013年，涡旋光经过倾斜凸透镜的衍射，分析衍射强度图可以获得涡旋光 的最大整数拓扑荷阶数为14。2015年，通过分析涡旋光和其共辄光的干涉图，人们测量涡旋 光的最大整数拓扑荷阶数可以达到60。最近，通过一个修正的Μ-Ζ干涉仪，涡旋光的最大可 测量整数拓扑荷阶数达到了 90。然而，这些测量方法只能获得拓扑荷的阶数，拓扑荷的符号 没有办法测量，再有由于系统包括像达夫棱镜这样的器件，从而系统存在器件引入的干涉 而且有些复杂。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于为了解决以上的不足，提供了涡旋光的干涉测量方法与系统， 该系统可测量涡旋光整数和半整数拓扑荷的阶数和符号，系统结构简单而且没有器件引入 干涉的影响。
[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：涡旋光的干涉测量系统，包括涡旋光产生单元、 控制单元、涡旋光调制单元、共辄涡旋光干涉单元和图像采集单元，其中：
[0006] 所述涡旋光产生单元用于产生涡旋光束，其包括栗浦光源LD、光束扩展器ΒΕ、电脑 控制的空间光调制器SLM和第一全反射镜Ml;
[0007] 所述控制单元用于改变涡旋光的传播光路，当控制信号置位时，涡旋光束被反射 传输;当控制信号复位时，涡旋光束被透射传输；
[0008] 所述涡旋光调制单元用于对涡旋光束的拓扑荷进行调制，其包括第二全反射镜 M2、第三全反射镜M3、第四全反射镜M4、第一透镜L1、第二透镜L2和涡旋相位板VPP;
[0009] 所述共辄涡旋光干涉单元用于将一束涡旋光分成两束涡旋光，并将其中一束涡旋 光转化为另一束的共辄涡旋光，然后对两束光进行干涉，其包括第一分束器BS1、第二分束 器BS2、第五全反射镜M5、第六全反射镜M6、第七全反射镜M7、第八全反射镜M8和第九全反射 镜M9;
[0010] 所述图像采集单元用于对两束共辄涡旋光的干涉强度图进行采集，通过对干涉强 度图进行分析，并对电脑控制的电荷耦合装置CCD两次采集的干涉强度图进行对比，从而可 以获得涡旋光的整数和半整数拓扑荷，其中拓扑荷包括阶数和符号（拓扑荷表示绕光束闭 合环路一周线积分为2π整数倍的个数），其包括第三透镜L3和电脑控制的电荷耦合装置 CCD;
[0011] 所述栗浦光源LD产生激光脉冲，激光脉冲经光束扩展器BE聚焦和扩束后照射到所 述电脑控制的空间光调制器SLM上并产生涡旋光，所述涡旋光经第一全反射镜Ml改变传播 方向后进入到所述控制单元；
[0012] 当所述控制单元的控制信号置位时，涡旋光经第一全反射镜Ml和控制单元反射后 进入共辄涡旋光干涉单元的第一分束器BS1，所述第一分束器BS1将涡旋光分成两束，其中 一束涡旋光依次经过第一分束器BS1、第七全反射镜M7、第八全反射镜M8和第九全反射镜M9 的反射后到达第二分束器BS2;另一束涡旋光依次经过第五全反射镜M5、第六全反射镜M6和 第二分束器BS2反射后符号变为相反，跟上一束涡旋光同时到达第二分束器BS2,并在此处 发生干涉，所述干涉光进入图像采集单元，在所述图像采集单元中根据干涉强度图产生的 花瓣(干涉光的干涉强度图由多个类似花瓣形状构成）的计数获得涡旋光的整数和半整数 拓扑荷的阶数；
[0013] 当控制单元的控制信号复位时，透射过控制单元的涡旋光束经第二全反射镜M2与 第三全反射镜M3反射后进入到所述涡旋光调制单元的第一透镜L1，经过第一透镜L1对涡旋 光尺寸进行控制后的涡旋光再经过第四全反射镜M4改变光路，改变光路的涡旋光经过涡旋 相位板VPP，其拓扑荷增加1阶，然后经第二透镜L2对涡旋光尺寸进行控制，最后又经控制单 元透射进入共辄涡旋光干涉单元，然后光路重复上述进入共辄涡旋光干涉单元的光路路 线。
[0014] 优选地，所述控制单元由光栅晶体开关GCXD构成。
[0015] 优选地，所述涡旋相位板VPP是一块折射率固定的透明相位板。
[0016] 优选地，所述透明相位板一侧表面为平面，另一侧表面为螺旋相位面，其厚度与角 向方位角成正比。
[0017] 优选地，所述第一分束器BS1用于将一束涡旋光分成两束，其分束比为50:50。
[0018]优选地，所述第二分束器BS2用于将两束共辄涡旋光干涉并合成一束，其分束比为 50：50〇
[0019] 优选地，从共辄涡旋光干涉单元中第二分束器BS2出来的干涉光束经第三透镜L3 进入图像采集单元后，所述干涉光束经过所述第三透镜L3对涡旋光尺寸进行控制后进入电 脑控制的电荷耦合装置CCD，所述电脑控制的电荷耦合装置CCD对干涉光的干涉强度图进行 采集，对干涉强度图进行分析，干涉强度图的花瓣数的一半即为涡旋光的拓扑荷，从而根据 花瓣的计数获得涡旋光的整数和半整数拓扑荷的阶数。
[0020] 优选地，通过对电脑控制的电荷耦合装置CCD两次采集的干涉强度图进行对比，若 干涉强度图的花瓣数增加2个，则涡旋光的拓扑荷符号为正，否则为负。
[0021] -种涡旋光的干涉测量方法，上述的涡旋光的干涉测量系统，本方法包括以下步 骤：
[0022] S1.涡旋光的产生:所述栗浦光源LD产生激光脉冲，激光脉冲经光束扩展器BE的聚 焦和扩束后照射电脑控制的空间光调制器SLM，通过电脑控制的空间光调制器SLM可产生涡 旋光，其经过第一全反射镜Ml改变光路后进入控制单元；
[0023] S2.涡旋光光路的改变:控制单元的控制信号置位时，涡旋光束在控制单元的光栅 晶体开关GCCD处反射进入共辄涡旋光干涉单元;控制信号复位时，涡旋光束在控制单元的 光栅晶体开关GCCD处透射进入涡旋光调制单元；
[0024] S3.涡旋光的调制:控制单元的控制信号复位时，涡旋光束进入携带有涡旋相位板 VPP的方形环路装置，经过一次涡旋相位板VPP后，涡旋光的拓扑荷将增加1阶，然后经光栅 晶体开关GCCD透射进入共辄涡旋光干涉单元；
[0025] S4.涡旋光的干涉:光栅晶体开关GCXD出来的涡旋光束经第一分束器BS1后分成两 束，其中一束经光路中全反射镜的奇数次反射后转化为另一束的共辄涡旋光，并且两束共 辄涡旋光在第二分束器BS2处发生干涉，干涉光经第三透镜L3进入图像采集单元；
[0026] S5.图像的采集:共辄涡旋光干涉单元出来的干涉光经第三透镜L3控制光涡环的 尺寸后进入电脑控制的电荷耦合装置CCD，其对干涉光的强度分布图进行采集，通过对干涉 强度图进行分析，并对电脑控制的电荷耦合装置CCD两次采集的干涉强度图进行对比，从而 可以获得涡旋光的整数和半整数拓扑荷，其中拓扑荷包括阶数和符号。
[0027] 本发明的有益效果:本发明的干涉测量系统可以测量涡旋光的整数和半整数拓扑 荷;采用简单的全反射镜保证了 M-Z干涉仪的精确等臂特性;采用简单全反射镜的奇数次反 射将一束涡旋光转化为其共辄涡旋光，从而没有器件引入干涉的影响;整体设计合理结构 简单，使用操作方便，既可以测量拓扑荷的阶数，又可以获得拓扑荷的符号。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的一种涡旋光的干涉测量系统的框架示意图。
[0029] 图2为本发明的一种涡旋光的干涉测量方法的流程示意图。
[0030] 图3为本发明的一种涡旋光的干涉测量系统的测量结果(干涉强度图中花瓣计数 为4)〇
[0031] 图4为本发明的一种涡旋光的干涉测量系统的测量结果(干涉强度图中花瓣计数 为6)。
[0032]图5