一种基于光子轨道角动量的高精度波长计的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光量子信息技术、光物理技术领域和计量测试技术领域，尤其涉及一 种基于光子轨道角动量的高精度波长计。
【背景技术】
[0002] 目前，波长计大多数通过经典光学的干涉或者衍射的原理制作的，比如德国 highfinesse公司生产的highfinesse波长计，是目前全球范围内精度最高的波长计，大陆 包括清华大学等高校在内的多个科研院所均采用这种波长计。其 WS6型号测量的分辨率达 到50Mhz，绝对精度200Mhz，光学分辨率(FWHM)接近4000。
[0003] 另一种比较普遍的是SHR-激光波长计，利用反射梯光栅将测量的光谱扩展到整个 波段，整个波长范围是190-1100nm，其近红外波长计SHR-IR波长分辨率在0.02nm，仪器分辨 率(FWHM)接近4000。
[0004] 然而，上述波长计大多采用动态干涉仪和频谱分析的方法。典型的有迈克尔逊干 涉仪、索菲干涉仪等，动态变化的干涉臂容易受外界影响（如电压等），且容易引进振动噪 声，快速傅里叶变换会丢失测量的精度，从而导致分辨率的下降，而科学研究或者技术加工 往往需要一个波长范围窄，精度高的波长计。
[0005] 鉴于此，有必要研究一种可适用于科学研究或者工厂加工的波长相对较窄、精度 相对高且成本较低的波长计。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于光子轨道角动量的高精度波长计，其测量精度与分 辨率较高，且成本较低。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008] 一种基于光子轨道角动量的高精度波长计，包括:激光器、两个半波片HWP、三个偏 振分束器PBS、四个全反镜、两个聚焦透镜、四分之一波片QWP、涡旋光场产生片VPP、设置在 温控系统内的非线性光学晶体KTP、CDD及图像分析器;其中：
[0009] 所述两个半波片HWP分别记为HWP1与HWP2,三个偏振分束器PBS分别记为PBS1、 PBS2与PBS3,四个全反镜分别记为R1、R2、R3与R4,两个聚焦透镜分别记为L1与L2;
[0010] 所述激光器出射的相干光依次经过HWP、QWP、PBS1后射入全反镜R1中；
[0011] 所述全反镜R1将光束反射至PBS2后，一部分光经过PBS2透射后依次经过全反镜 R4、VPP、全反镜R3与全反镜R2后回到TOS2中，再透射至聚焦透镜L1;另一部分光经过PBS2反 射后依次经过全反镜R2、全反镜R3、VPP与全反镜R4后回到PBS2中，再反射至聚焦透镜L1; [00 12] 聚焦透镜L1聚焦后的光束再依次通过KTP、聚焦透镜L2、HWP2与TOS3后在CCD中成 像，所述图像分析器从CCD中获取波长变动前后的两幅图像，并根据两幅图像的变化量计算 波长变化。
[0013] 进一步的，所述激光器出射的相干光依次经过HWP与QWP后聚焦在Sagnac干涉环的 PBS1前，光束的电场A |免> 表示为：
[0015] 其中，4为水平偏振光IH〉的态系数;萬,为垂直偏振光IV〉的态系数;，为水平偏 振光子态和垂直偏振光子态之间的相位差，φρ为相位差因子，一个周期中，Φρ = 〇°时，光束 为45°线偏振光；
'，光为圆偏振光;其余情况下为椭圆偏振光。
[0016] 进一步的，设，光束经PBS2透射直至再次返回TOS2的路径方向为逆时针方向，光束 经roS2反射直至再次返回TOS2的路径方向为顺时针方向；在逆时针方向时，PSB2到VPP的几 何光程记为La;在顺时针方向时，PSB2到VPP的几何光程记为Lb ;顺时针方向和逆时针方向两 个路径因散射造成的光子丢失后剩余的光子数比例分别记为η2和ζ2;
[0017] 光束经过PBS2顺时针方向与逆时针方向行径并返回至PBS2后，相位变为如下：
[0018] 对于水平偏振光|Η〉，光子态相位的变化情况为：
[0020] 对于垂直偏振光| V〉，光子态相位的变化情况为：
[0022]按照量子力学态的叠加原理，则有：
[0024] 其中，|+1〉与1-1〉表示两个极性相反的轨道角动量，轨道角动量值为l;a = kvLA+
v、l)分别对应的表不水平、垂直、轨道角动量三种不同光子的传播波矢量，Xindex(index = h、 v、l)分别对应的表示水平、垂直、轨道角动量三种不同光子，no为空气中的折射率；当PBS2 所属的Sagnac干涉仪固定后，a仅由φ p决定，
，为水平光| H〉与垂直光| V〉的光强相 对比例，当La=Lb，得到α= φρ。
[0025] 进一步的，所述聚焦透镜L1聚焦后的光束再依次通过ΚΤΡ、聚焦透镜L2、HWP2与 PBS3后在(XD中成像，上述过程光子态的变化情况如下：
[0026]聚焦透镜L1聚焦后的光束进入KTP后水平偏振光与垂直偏振光因双折射会产生相 位差β，则叠加的光子态变为：
[0028] 再通过聚焦透镜L2射入HWP2后，叠加的光子态重新分布为：
[0030]最终，经过TOS3将光束的水平或者垂直偏振分开，水平或垂直光路方向将发生轨 道角动量光的干涉，从而实现光子的轨道角动量自我干涉，并在CCD中成像，最终的光子态 为：
[0032] 进一步的，所述图像分析器从CCD中获取波长变动前后的两幅图像，并根据两幅图 像的变化量计算波长变化包括：
[0033] 通过矢量点乘方法或者光强互相关方法分析波长变动前后的两幅图像中的花瓣 变化情况，再根据确定的花瓣变化情况来确定波长的变化量；
[0034] 其中，矢量点乘方法的步骤如下:对于两幅图像均进行二值化与洞处理，再进行边 缘检测与重心识别，获得每一花瓣的重心与边缘的坐标数列;将重心与边缘进行分离，获得 每一花瓣重心坐标;根据花瓣重心坐标来计算两幅图像中对应花瓣重心的旋转角度，从而 确定花瓣变化情况；
[0035] 光强互相关方法是通过选取两幅图像中与花瓣相关的一定区域来进行强度相关 性的计算，得到相关矩阵，从而反映花瓣的变化情况。
[0036]进一步的，该方法还包括：
[0037]通过实验对波长计进行标定，获得实验值与理论值的比例；
[0038]再利用实验值与理论值的比例对获得的波长的变化量进行修正，获得最终的波长 的变化量；
[0039]再通过计算机后续算法处理，将最终的波长的变化量呈现在显示界面上。
[0040] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过该波长计的特殊光路结构可以将偏 振和轨道角动量纠缠的量子态分开，从而实现携带两个极性相反的轨道角动量光子自我干 涉，得到对波长很敏感的干涉花瓣图像，再对干涉花瓣图像的变化量进行分析，从而确定波 长的变化量。上述方案鲁棒性强，容易集成，而且成本非常的低，同时，测量精度与分辨率也 较高。
【附图说明】
[0041] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0042] 图1为本发明实施例提供的一种基于光子轨道角动量的高精度波长计的光路结构 示意图；
[0043] 图2为本发明实施例提供的花瓣重心点与边缘点的