轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔的制作方法

本实用新型涉及光子信息处理以及光场调控技术领域，尤其涉及一种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔。

背景技术：

光学谐振腔是能使高频电磁波在其内部持续震荡的空腔，能够提供光能正反馈以及调控腔内光场的特征，在滤波器、光延时器和光调制器等领域发挥着巨大的作用，同时也是激光器的重要组成部分。近年来，量子信息技术的发展使得光学谐振腔有了更为广阔的应用空间。量子信息技术是一门结合量子物理与信息科学的交叉学科，核心是利用粒子的量子特性进行信息编码和处理，例如离子、原子、电子以及光子。其中光子具有多种易于调控的自由度，而光学谐振腔又是束缚光子的一种有效手段，结合光学谐振腔进行光量子信息处理一直是近年来的研究热点。

常用的光子自由度包括轨道角动量自由度以及偏振自由度等等，同时能够容纳所有轨道角动量模式的光学谐振腔称之为简并光学谐振腔。根据激光原理，满足传输矩阵为单位矩阵的光学谐振腔即为简并光学谐振腔，可以参见中国专利公开说明书(申请号：cn201711268258.x，公开号：cn108023264a)。

简并光学谐振腔可以为具有不同轨道角动量的光子提供存在环境，但根据信息处理需要，光子往往需要在腔内完成轨道角动量的变换，这就需要在腔内放置光场模式调制器件，例如涡旋相位片等等。此外，在实现腔内轨道角动量调控的同时，能够对腔内光子偏振进行调控，甚至实现腔内光子轨道角动量与偏振自由度的耦合将会大大增加信息编码空间，进而能够计算或模拟更多的量子物理现象。因此，实现简并光学谐振腔对光子轨道角动量以及偏振的调制与耦合将大大促进光量子信息技术的发展。虽然简并光学谐振腔日渐成熟，但是目前尚没有实现腔内轨道角动量和偏振耦合的详细方案。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔，在保证其简并条件下，利用特殊排列的液晶分子在腔内实现光子轨道角动量自由度与偏振自由度的调制及耦合。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔，包括：多片镀ito膜的玻璃片或者多片镀ito膜的玻璃片与多片镀ito膜的八分之一波片、液晶分子、导线以及电压源；其中：

镀ito膜的玻璃片之间、或者镀ito膜的玻璃片与镀ito膜的八分之一波片之间填充有液晶分子，液晶分子的光轴平行于玻璃片表面；在两片玻璃片的单侧表面、或者玻璃片与八分之一波片的单侧表面镀99％反射膜，形成镜腔；

与液晶分子相邻的两片镀ito膜的玻璃片表面，或与液晶分子相邻的镀ito膜的玻璃片与镀ito膜的八分之一波片表面有导线接出，且导线与各自ito膜导通，与同一液晶分子相邻的ito膜对应的一对导线接在同一电压源上。

一种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔，包括：两片镀ito膜的玻璃片、液晶分子、导线以及电压源；其中：

两片镀ito膜的玻璃片之间填充有液晶分子，液晶分子的光轴平行于玻璃片表面；

两片镀ito膜的玻璃片相邻的表面均镀有99％反射膜，相邻的表面通过导线接出且与各自的ito膜导通，接出的导线连接电压源。

一种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔，包括：两片镀ito膜的玻璃片、两片镀ito膜的八分之一波片、液晶分子、导线以及电压源；其中：

第一片镀ito膜的玻璃片与第二片镀ito膜的玻璃片之间、以及第二片镀ito膜的玻璃片与第一片镀ito膜的八分之一波片之间填充有液晶分子，液晶分子的光轴平行于玻璃片表面，第二片镀ito膜的玻璃片右表面以及与第一片镀ito膜的八分之一波片的右表面均镀有99％反射膜，第一片八分之一波片与第二片八分之一波片紧密粘合；

与液晶分子相邻的两片镀ito膜的玻璃片表面，或与液晶分子相邻的镀ito膜的玻璃片与镀ito膜的八分之一波片表面有导线接出，且导线与各自ito膜导通，与同一液晶分子相邻的ito膜对应的一对导线接在同一电压源上。

一种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔，五片镀ito膜的玻璃片、液晶分子、导线以及电压源；其中：

五片镀ito膜的玻璃片之间填充有液晶分子，则共填充有四层液晶分子，四层液晶分子的光轴均平行于玻璃片表面，前两层液晶分子与后两层液晶分子的方向不同；

第二片镀ito膜的玻璃片右表面与第四片镀ito膜的玻璃片左表面均镀有99％反射膜；

与液晶分子相邻的镀ito膜玻璃片表面有导线接出，且与各自ito膜导通，与同一液晶分子相邻的ito膜对应的一对导线接在同一电压源上。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，该谐振腔结构简单，所需光学元件少，巧妙利用镀膜玻璃片或者波片作为腔镜，通过液晶分子实现腔内光子轨道角动量与偏振的调制与耦合。腔内光子不经过空气，整个简并光学谐振腔是一个整体，不会因为抖动导致相位随机变化，系统更加稳定。此外，通过外接电压源可以调节液晶分子两端的电压，进而调节腔内光子轨道角动量与偏振的调制耦合参数。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型实施例提供的第一种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的第二种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的第三种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔的结构示意图；

图中，1-镀ito膜的玻璃片，2-第一种液晶分子，3-99％反射膜，4-导线，5-电压源，6-镀ito膜的八分之一波片，7-第二种液晶分子。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例提供一种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔，包括：多片镀ito膜的玻璃片或者多片镀ito膜的玻璃片与多片镀ito膜的八分之一波片、液晶分子、导线以及电压源；其中：

镀ito膜的玻璃片之间、或者镀ito膜的玻璃片与镀ito膜的八分之一波片之间填充有液晶分子，液晶分子的光轴平行于玻璃片表面；在两片玻璃片的单侧表面、或者玻璃片与八分之一波片的单侧表面镀99％反射膜，形成镜腔；

与液晶分子相邻的两片镀ito膜的玻璃片表面，或与液晶分子相邻的镀ito膜的玻璃片与镀ito膜的八分之一波片表面有导线接出，且导线与各自ito膜导通，与同一液晶分子相邻的ito膜对应的一对导线接在同一电压源上。

本实用新型实施例中，主要考虑三种结构：

1)当包含两片镀ito膜的玻璃片时，两片镀ito膜的玻璃片相邻的表面均镀有99％反射膜；

2)当包含两片镀ito膜的玻璃片与两片镀ito膜的八分之一波片时，第一片镀ito膜的玻璃片与第二片镀ito膜的玻璃片之间、以及第二片镀ito膜的玻璃片与第一片镀ito膜的八分之一波片之间填充有液晶分子，第二片镀ito膜的玻璃片右表面以及与第一片镀ito膜的八分之一波片的右表面均镀有99％反射膜，第一片八分之一波片与第二片八分之一波片紧密粘合；

3)当包含五片镀ito膜的玻璃片时，五片镀ito膜的玻璃片之间填充有液晶分子，则共填充有四层液晶分子，前两层液晶分子与后两层液晶分子的方向不同；第二片镀ito膜的玻璃片右表面与第四片镀ito膜的玻璃片左表面均镀有99％反射膜。

基于上述三种结构，第1)种结构中液晶分子的方向、第2)种结构中液晶分子的方向、第3)种结构中前两层液晶分子的方向；满足：

α(r,θ)＝qθ+θ0

其中，(r,θ)表示该液晶分子极坐标，α表示液晶分子光轴与极轴的夹角，q,θ0为常数

第3)种结构中后两层液晶分子的方向满足：

α'(r,θ)＝-qθ-θ0

其中，(r,θ)表示液晶分子极坐标，α'表示液晶分子光轴与极轴的夹角。

上述三种结构的原理都是类似的，即，巧妙利用镀膜玻璃片或者波片作为腔镜，通过液晶分子实现腔内光子轨道角动量与偏振的调制与耦合。腔内光子不经过空气，整个简并光学谐振腔是一个整体，不会因为抖动导致相位随机变化，系统更加稳定。此外，通过外接电压源可以调节液晶分子两端的电压，进而调节腔内光子轨道角动量与偏振的调制耦合参数。

下面针对三种结构分别做详细说明。

一、第一种结构。

如图1所示，第一种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔，其主要包括：两片镀ito膜的玻璃片1、液晶分子2、导线4以及电压源5；其中：

两片镀ito膜的玻璃片1之间填充有液晶分子2，液晶分子2的光轴平行于玻璃片表面，液晶分子的方向满足：

α(r,θ)＝qθ+θ0

其中，(r,θ)表示该液晶分子极坐标，α表示液晶分子光轴与极轴的夹角，q,θ0为常数。

两片镀ito膜的玻璃片相邻的表面(即第一片玻璃片右表面与第二片玻璃片左表面)均镀有99％反射膜3。

相邻的表面通过导线4接出且与各自的ito膜导通，接出的导线连接电压源5。

下面针对腔内轨道角动量与偏振的调制与耦合做详细的介绍。

激光垂直于玻璃表面，沿中心(r＝0)入射，经过该谐振腔一次，出射光子偏振自由度与轨道角动量自由度变化将满足：

其中，i为虚数单元，r、l表示右旋圆偏振与左旋圆偏振，m表示光子轨道角动量，角度δ∈(0,2π)由加载于导线两端的电压决定。在该腔中多次往返的出射的光子，会多次重复上述变换。

二、第二种结构。

如图2所示，第二种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔，其主要包括：两片镀ito膜的玻璃片1、两片镀ito膜的八分之一波片6、液晶分子2、导线4以及电压源5；其中：

第一片镀ito膜的玻璃片与第二片镀ito膜的玻璃片之间、以及第二片镀ito膜的玻璃片与第一片镀ito膜的八分之一波片之间填充有液晶分子，液晶分子的光轴平行于玻璃片表面，液晶分子的方向满足：

α(r,θ)＝qθ+θ0

其中，(r,θ)表示该液晶分子极坐标，α表示液晶分子光轴与极轴的夹角，q,θ0为常数。

第二片镀ito膜的玻璃片右表面以及与第一片镀ito膜的八分之一波片的右表面均镀有99％反射膜3。

两片镀ito膜的八分之一波片的光轴均位于0°，第一片八分之一波片与第二片八分之一波片紧密粘合。

与液晶分子相邻的两片镀ito膜的玻璃片表面，或与液晶分子相邻的镀ito膜的玻璃片与镀ito膜的八分之一波片表面有导线接出，且导线与各自ito膜导通，与同一液晶分子相邻的ito膜对应的一对导线接在同一电压源上。

下面针对腔内轨道角动量与偏振的调制与耦合做详细的介绍。

激光垂直于玻璃表面，沿中心(r＝0)入射，经过该腔一次，出射光子偏振自由度与轨道角动量自由度变化将满足：

其中，i为虚数单元，r、l表示右旋圆偏振与左旋圆偏振，m表示光子轨道角动量，角度δ∈(0,2π)由加载于导线两端的电压决定。在该谐振腔中多次往返的出射的光子，会多次重复上述变换。

三、第三种结构。

如图3所示，第三种轨道角动量及偏振耦合简并光学谐振腔，其主要包括：五片镀ito膜的玻璃片1、液晶分子(2与7)、导线4以及电压源5；其中：

五片镀ito膜的玻璃片之间填充有液晶分子，则共填充有四层液晶分子，四层液晶分子的光轴均平行于玻璃片表面，前两层液晶分子与后两层液晶分子的方向不同。

前两层液晶分子(也即第一种液晶分子2)的方向满足：

α(r,θ)＝qθ+θ0

其中，(r,θ)表示液晶分子极坐标，α表示液晶分子光轴与极轴的夹角，q,θ0为常数；

后两层液晶分子(也即第二种液晶分子7)的方向满足：

α'(r,θ)＝-qθ-θ0

其中，(r,θ)表示液晶分子极坐标，α'表示液晶分子光轴与极轴的夹角。

第二片镀ito膜的玻璃片右表面与第四片镀ito膜的玻璃片左表面均镀有99％反射膜3。

与液晶分子相邻的镀ito膜玻璃片表面有导线接出，且与各自ito膜导通，与同一液晶分子相邻的ito膜对应的一对导线接在同一电压源上。

下面针对腔内轨道角动量与偏振的调制与耦合做详细的介绍。

激光垂直于玻璃表面，沿中心(r＝0)入射，经过该腔一次，出射光子偏振自由度与轨道角动量自由度变化将满足：

其中，i为虚数单元，r、l表示右旋圆偏振与左旋圆偏振，m表示光子轨道角动量，角度δ∈(0,2π)由加载于导线两端的电压决定。在该谐振腔中多次往返的出射的光子，会多

显而易见，上述镀膜玻璃片或者玻璃片与波片之间形成了平面镜腔，满足简并条件，腔内通过液晶分子实现了轨道角动量的增减，甚至产生高阶模式，以及实现了与之相关联的偏振自由度耦合。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。