透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置及方法与流程

本发明涉及物理光学领域，是一种透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置及方法

背景技术：

1992年leidon大学的allen等人理论预言了光子轨道角动量orbitalangularmomentum，oam的存在。它在基础性物理、应用物理以及天文，生物等交叉学科的研究中已经发挥了或正在发挥着令人意想不到的重要作用。1995年queensland大学的研究小组实验观测到了轨道角动量从光束到cuo微粒的传递，并驱使后者发生转动，直接验证了光子轨道角动量的存在。光子轨道角动量广泛应用于量子雷达目标散射特性研究、目标探测与识别、量子隐身目标等诸多领域，除此之外，在量子通信领域，轨道角动量(oam)作为一种新技术备受关注。但是，对于光子轨道角动量传输特性研究过程中容易由于涡旋光束携带有一定拓扑荷数的光束具有特殊的螺旋相位波前结构，在电磁波传播过程中，极易受到传输环境因素的影响，包括大气湍流、雨雾等，破坏其空间波前结构，使不同oam模态之间信息传输产生干扰。

技术实现要素：

本发明为研究透反性介质对光子轨道角动量的传输特性的影响，提供了一种透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置及方法，提供了以下技术方案：

一种透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量装置，包括驱动电源1、激光头2、扩束器3、螺旋相位板4、反射增程腔5、双缝挡板6、光屏7、测量头8、ccd相机9和计算机10，除电源1和计算机10外其余均固定在支撑架上；

驱动电源1连接激光头2，激光头2的出射端正对扩束器3的入射端，扩束器3的出射端正对螺旋相位板4入射端，螺旋相位板4的出射端正对反射增程腔5的入射端，反射增程腔5的出射端正对双缝挡板6的入射端，双缝挡板6的出射端正对光屏7的正面；测量头8的测量端正对光屏7的反面，ccd相机9正对测量头8输出结果端，ccd相机9连接计算机10。

优选地，所述激光头2输出连续稳定的拉盖尔高斯激光的激光波长范围为380nm-760nm，光斑直径为0.5-0.9mm，横模为tem00，偏振状态为线偏振、光束质量小于1.5。

优选地，所述激光头2产生的拉盖尔高斯激光通过所述螺旋相位板4的中心位置，所述螺旋相位板4使拉盖尔高斯激光光束携带拓扑荷为1的轨道角动量。

优选地，反射增程腔5包括5个首尾相连的反射镜，相邻的反射镜相互垂直，首尾处的两个发射镜长度为8cm-13cm，中间3个反射镜长度为20cm-30cm，反射增程腔5内填充透反性介质。

优选地，双缝挡板6的双缝间距为0.08mm-0.4mm，双缝挡板6与光屏7之间的距离为500mm-800mm。

一种透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：向反射增程腔5内填充透反性介质，保持室温状态；

步骤二：将驱动电源1接入220v交流电，激光头2产生一束连续稳定的拉盖尔高斯激光；

步骤二：调整激光头2、扩束器3和螺旋相位板4的中心点在同一直线上，使螺旋相位板4处发出的入射光束与反射增程腔5呈80°入射；

步骤三：调整双缝挡板6、光屏7、测量头8和ccd相机9的中心点在同一条直线上，使双缝挡板6与反射增程腔5处发出的出射光束呈80°出射；

步骤四：拉盖尔高斯激光分别通过扩束器3、螺旋相位板4、反射增程腔5、双缝挡板6后，通过光屏7成像，测量头8对干涉条纹进行定量测量，ccd相机9和计算机10显示干涉条纹的测量结果；

步骤五:通过干涉条纹测量得到条纹弯曲的量和方向，反推透反性介质作用后的激光光束轨道角动量的拓扑荷数。

优选地，所述激光头2输出连续稳定的拉盖尔高斯激光的激光波长范围为380nm-760nm，光斑直径为0.5-0.9mm，横模为tem00，偏振状态为线偏振、光束质量小于1.5。

优选地，所述激光头2产生的拉盖尔高斯激光通过所述螺旋相位板4的中心位置，所述螺旋相位板4使拉盖尔高斯激光光束携带拓扑荷为1的轨道角动量。

优选地，所述步骤五具体为：

第一步：一个拓扑荷数为的光子轨道角动量光束波长为λ正入射双缝挡板，通过下式表示入射拉盖尔高斯激光光束的通用表达式：

其中，ein为入射拉盖尔高斯激光光束强度，(r,θ)为极坐标，a(r)为表征复振幅，为激光光束轨道角动量的拓扑荷数，i为虚数单位，exp(imr²)为额外的衍射项。

第二步：将左边狭缝的相位表达为第二个狭缝的相位表达为两个狭缝的沿着方向的相位差分布δφ(y)通过下式表达：

其中，δφ(y)为两个狭缝的沿着方向的相位分布，(x,y)为光屏上的直角坐标，a为双缝挡板6的双缝间距。

第三步：根据光学光程差理论和公式，当激光光束入射时，两个狭缝阵列的干涉强度分布通过下式表达：

当条纹是等间距的平行条纹，其中心亮纹的轨迹x通过下式表示：

其中，x为中心亮纹的轨迹，(x,y)为光屏上的直角坐标，λ为激光光束的波长，d为双缝挡板6与光屏7之间的距离。

第四步：通过下式得到条纹的弯曲量δx：

反之，根据条纹弯曲量，通过下式可求得拓扑荷数的绝对值：

其中，δx为条纹的弯曲量，为激光光束轨道角动量的拓扑荷数的绝对值。

第五步：激光光束轨道角动量的拓扑荷数值的正负由条纹弯曲的方向确定，对同一条条纹从上到下，条纹偏向右说明拓扑荷为负值，条纹偏向左说明拓扑荷为正值。

本发明具有以下有益效果：

为研究透反性介质对光子轨道角动量的传输特性的影响，本发明所述装置通过对拉盖尔高斯光束进行波前调制，使其携带拓扑荷为1的轨道角动量，通过一个反射增程系统使得透反性介质与激光光束充分作用，再通过双缝干涉产生弯曲条纹，使用ccd相机9与计算机10将干涉图样及其测量结果呈现在计算机上，最后通过测量结果就可以透反性介质作用后的激光光束轨道角动量的拓扑荷数及其正负，这样就能得到透反性介质对激光光束轨道角动量的影响。

本发明提出的透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响测量装置结构简单、操作方便，不需要对光路进行复杂的调节。本发明装置在较小的反射增程腔5内，使得光程增大百倍，不需要大范围的外场实验，这样可以简便快速地测量出透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响。本发明能够快速高效地测量透反性介质对激光光束轨道角动量产生的影响，同时具有较高的可扩展性，通过对螺旋相位片4、双缝挡板6和激光头2的调整和匹配可以在一个较宽光谱范围内进行测量，同时，将测量的不确定度降低到6％左右。

附图说明

图1是透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置。

图2是反射增程腔5的反射示意图。

图3是激光光束携带拓扑荷为1的轨道角动量时的测量结果图

图中:1-驱动电源，2-激光头，3-扩束器，4-螺旋相位板，5-反射增程腔，6-双缝挡板，7-光屏，8-测量头，9-ccd相机，10-计算机。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1所示，本发明提供一种透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置，包括驱动电源1、激光头2、扩束器3、螺旋相位板4、反射增程腔5、双缝挡板6、光屏7、测量头8、ccd相机9和计算机10，除电源1和计算机10外其余均固定在支撑架上；

驱动电源1连接激光头2，激光头2的出射端正对扩束器3的入射端，扩束器3的出射端正对螺旋相位板4入射端，螺旋相位板4的出射端正对反射增程腔5的入射端，反射增程腔5的出射端正对双缝挡板6的入射端，双缝挡板6的出射端正对光屏7的正面；测量头8的测量端正对光屏7的反面，ccd相机9正对测量头8输出结果端，ccd相机9连接计算机10。

所述激光头2输出连续稳定的拉盖尔高斯激光的激光波长范围为380nm-760nm，光斑直径为0.5-0.9mm，横模为tem00，偏振状态为线偏振、光束质量小于1.5。所述激光头2产生的拉盖尔高斯激光通过所述螺旋相位板4的中心位置，所述螺旋相位板4使拉盖尔高斯激光光束携带拓扑荷为1的轨道角动量。

反射增程腔5包括5个首尾相连的反射镜，相邻的反射镜相互垂直，首尾处的两个发射镜长度为8cm-13cm，中间3个反射镜长度为20cm-30cm，反射增程腔5内可填充透反性介质，如雾、湍流大气或者冰晶等。双缝挡板6的双缝间距为0.08mm-0.4mm，双缝挡板6与光屏7之间的距离为500mm-800mm。

具体实施例二：

本发明所述装置通过对拉盖尔高斯光束进行波前调制，使其携带拓扑荷为1的轨道角动量，通过一个反射增程系统使得透反性介质与激光光束充分作用，再通过双缝干涉产生弯曲条纹，使用ccd相机9与计算机10将干涉图样及其测量结果呈现在计算机上，最后通过测量结果就可以透反性介质作用后的激光光束轨道角动量的拓扑荷数及其正负，这样就能得到透反性介质对激光光束轨道角动量的影响。

基于上述原理，提出一种透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：向反射增程腔5内填充透反性介质，保持室温状态；

步骤二：将驱动电源1接入220v交流电，激光头2产生一束连续稳定的拉盖尔高斯激光；

步骤二：调整激光头2、扩束器3和螺旋相位板4的中心点在同一直线上，使螺旋相位板4处发出的入射光束与反射增程腔5呈80°入射；

步骤三：调整双缝挡板6、光屏7、测量头8和ccd相机9的中心点在同一条直线上，使双缝挡板6与反射增程腔5处发出的出射光束呈80°出射；

步骤四：拉盖尔高斯激光分别通过扩束器3、螺旋相位板4、反射增程腔5、双缝挡板6后，通过光屏7成像，测量头8对干涉条纹进行定量测量，ccd相机9和计算机10显示干涉条纹的测量结果；

步骤五:通过干涉条纹测量得到条纹弯曲的量和方向，反推透反性介质作用后的激光光束轨道角动量的拓扑荷数。

激光头2输出端产生连续稳定的拉盖尔高斯激光，输出的激光波长范围为380nm-760nm，光斑直径为0.5-0.9mm，横模为tem00，偏振状态为线偏振、光束质量小于1.5。扩束器3可将激光束扩大10倍，经过扩束后的激光通过所述螺旋相位板4中心位置，所述螺旋相位板4将拉盖尔高斯激光进行空间调制，能够使激光光束携带拓扑荷为1的轨道角动量。

通过步骤四得到干涉条纹及其测量结果，干涉条纹是等间距排列的弯曲条纹，条纹弯曲的量和方向会跟激光光束轨道角动量的拓扑荷数有关，同时和双缝挡板6的双缝间距、双缝挡板6与光屏7之间的距离有关，因此可以通过干涉条纹测量得到的条纹弯曲的量和方向，反推得透反性介质作用后的激光光束轨道角动量的拓扑荷数，其具体计算过程如下：

一个拓扑荷数为的光子轨道角动量光束波长为λ正入射双缝挡板，通过下式表示入射拉盖尔高斯激光光束的通用表达式：

其中，ein为入射激光光束强度，(r,θ)为极坐标，a(r)为表征复振幅，为激光光束轨道角动量的拓扑荷数，i为虚数单位，exp(imr²)为额外的衍射项。

将左边狭缝的相位表达为第二个狭缝的相位表达为两个狭缝的沿着方向的相位差分布δφ(y)通过下式表达：

其中，(x,y)为光屏上的直角坐标，a为双缝挡板6的双缝间距。

根据光学光程差理论和公式，当激光光束入射时，两个狭缝阵列的干涉强度分布通过下式表达：

其中，(x,y)为光屏上的直角坐标，λ为激光光束的波长，d为双缝挡板6与光屏7之间的距离。

因此当条纹是等间距的平行条纹，其中心亮纹的轨迹x通过下式表示：

通过下式得到条纹的弯曲量δx：

其中，为激光光束轨道角动量的拓扑荷数的绝对值。

反之，根据条纹弯曲量，通过下式可求得拓扑荷数的绝对值：

拓扑荷的正负由条纹弯曲的方向确定，对同一条条纹从上到下，条纹偏向右说明拓扑荷为负值，条纹偏向左说明拓扑荷为正值。

具体实施例三：

驱动电源1产生高性能自动引燃恒流电源，为激光头2供电。激光头2输出端产生连续稳定的拉盖尔高斯激光，输出的激光波长范围为632.8nm，光斑直径为0.68mm，横模为tem00，偏振状态为线偏振、光束质量小于1.5。

扩束器3可将激光束扩大10倍，经过扩束后的激光通过所述螺旋相位板4中心位置。螺旋相位板4将投射的出射光的光束赋予螺旋形相位分布，使其携带一定拓扑荷的轨道角动量，所述螺旋相位板4将拉盖尔高斯激光进行空间调制，能够使激光光束携带拓扑荷为1的轨道角动量，激光光束通过透反性介质后，测量结果如图3所示。

如图2所示，螺旋相位板4处发出的入射光束与反射增程腔5呈80°入射，双缝挡板6与反射增程腔5处发出的出射光束呈80°出射，反射增程腔5使拉盖尔高斯激光通过长距离的透反性介质区域，通过不断地反射，增加拉盖尔高斯激光与透反性介质的作用距离。本发明装置在20cm*20cm的腔内使得光程增大到1021cm，双缝挡板6是带有两条狭缝的挡板，可产生两束相干的激光光束。光屏7对双缝干涉结果进行成像，测量头8对成像结果进行定量测量，ccd相机9将光线转变为电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，通过计算机10呈现测量结果，实现半自动化操作。

本发明装置结构简单、操作方便，不需要对光路进行复杂的调节，本发明装置在较小的反射增程腔5内，使得光程增大百倍，不需要大范围的外场实验，这样可以简便快速地测量出透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响。本发明能够快速高效地测量透反性介质对激光光束轨道角动量产生的影响，同时具有较高的可扩展性，通过对螺旋相位板4、双缝挡板6和激光头2的调整和匹配可以在一个较宽光谱范围内进行测量，同时，本发明将测量的不确定度降低到6％左右。

以上所述仅是透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置及方法的优选实施方式，透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置及方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。