专利名称：利用组合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种利用組合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的方法和装置，属于光电技术领域。
背景技术：
轨道角动量(Orbital Angular Momentum, 0AM)是描述光的波前性质的ー个物理參数，携带轨道角动量的光束的特征是其波前为螺旋形，这种光束也被称为螺旋光束。常见的螺旋光束包括拉盖尔一高斯光束和贝塞尔光束，它们由于中心的相位奇点而导致暗斑的出现，并形成亮环的结构。能够方便准确的探測螺旋光束的轨道角动量，对于螺旋光束的应用具有非常重要的意义。目前，已经报道的測量螺旋光束的轨道角动量的方法有很多种，包括利用机械作用产生扭矩测量、利用ニ阶强度矩测量、利用旋转多普勒效应測量、利用杨氏双缝或者衍射光栅测量、利用Mach-Zehnder干涉仪测量等。本发明涉及了一种检测螺旋光束的轨道角动量的新方法，主要利用了組合半波片这一新型器件，具有结构简单、效率高等优点。
发明内容
本发明的目的是提供ー种利用組合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的方法和
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^ci ο本发明的目的是由下述技术方案实现的本发明提供的ー种利用組合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的装置包括組合半波片、四分之一波片、二分之一波片、渥拉斯顿棱镜、聚焦透镜和CXD相机。所述的组合半波片让被检测的一束光轴与组合半波片中心重合的螺旋光束垂直透过，用于检测螺旋光束的轨道角动量，若出射光斑为实心则螺旋光束的轨道角动量量子数的绝对值等于所用組合半波片的阶数，出射光束为两束圆偏振光的叠加；所述的四分之一波片的快轴为水平方向置于组合半波片后，用于轨道角动量量子数的绝对值等于所用组合半波片的阶数，出射光束为两束圆偏振光的叠加；所述的四分之一波片的快轴为水平方向置于组合半波片后，用于将两束圆偏振光的叠加变换为线偏振光的叠加；所述的二分之一波片的快轴方向与水平方向成22. 5°，置于四分之一波片后，用于使光束的偏振方向旋转为水平和竖直；所述的渥拉斯顿棱镜的分离角可以由Φ = 28111-1 [(n0-ne) tan θ ]计算得到，式中no和も为渥拉斯顿棱镜所用双折射晶体的寻常光和非常光的折射率，θ为渥拉斯顿棱镜晶体的切割角，将其置于二分之一波片后，用于使两束叠加的偏振方向正交的衍射光分离来判断光束轨道角动量量子数的正负；所述的聚焦透镜置于渥拉斯顿棱镜后，用于成像；所述的CXD相机置于聚焦透镜焦点处，用于观察并判断入射螺旋光束的轨道角动量量子数。本发明提供的一种动态实时测量多个螺旋光束的轨道角动量的方法为ー个并联形式的检测系统，首先将待测螺旋光束等能量分成4束，4束光分別通过ー阶、ニ阶、三阶和四阶组合半波片，之后再经过1/4波片成为线偏振光，再经过渥拉斯顿棱镜分光，得到8束光，最后用光电ニ极管探測。此检测系统的能量利用率虽然只用1/8，但是远高于光栅方法， 更重要的是调节简单，可实现256个数据态的同时传输。本发明提供的利用組合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的具体步骤为被检测的螺旋光束垂直透过ー个組合半波片的中心，出射的光束为一束左旋圆偏振光和一束右旋圆偏振光的同轴叠加，通过ー个快轴方向为水平的四分之一波片使其变换为两束偏振方向正交的线偏振光，其中一束偏振方向与水平方向成45°另一束与水平方向成135°，再通过ー个快轴方向与水平方向成22. 5°的二分之一波片，偏振方向变为水平和竖直，通过ー个渥拉斯顿棱镜将两束同轴传输的光分离，经聚焦透镜成像后，在焦点处用 CCD相机观测分离的光束，更换不同阶数的組合半波片，判断入射螺旋光束的轨道角动量量子数。本发明的有益效果①检测装置结构简単。②效率远高于衍射光栅方法。③能够动态实时的检测多个光束轨道角动量态。
图1是本发明的原理图；图中，I-組合半波片，2-四分之一波片，3-二分之一波片，4-渥拉斯顿棱镜，5-聚焦透镜，6-CXD相机。图2是线偏振光入射透过不同阶的组合半波片后光场偏振分布示意图；图中，从上到下依次为0°线偏振光束入射通过1、2、3阶组合半波片后出射光分别为1、2、3阶矢量光束。图3是利用一阶组合半波片检测LGtll模和LGch1模光束的仿真和实验结果图；图中，上方两个图分别为LGtll模和LGch1模光束经过ー阶组合半波片后用渥拉斯顿棱镜分离出两束正交偏振光束的仿真结果图，下方为实验结果图。图4是利用ニ阶组合半波片检测LGtl2模和LGch2模光束的仿真和实验结果图；图中，上方两个图分别为LGtl2模和LGch2模光束经过ニ阶组合半波片后用渥拉斯顿棱镜分离出两束正交偏振光束的仿真结果图，下方为实验结果图。图5是基于組合半波片的动态实时測量多个螺旋光束的轨道角动量系统的实验原理图；图中，7-第一分光平片，8-第二分光平片，9-第三分光平片，10-第一反射镜， 11-第二反射镜，12- 一阶组合半波片，13- ニ阶组合半波片，14-三阶组合半波片，15-四阶組合半波片，16-第一四分之一波片，17-第二四分之一波片，18-第三四分之一波片，19-第四四分之一波片，20-第一傅里叶变换透镜，21-第二傅里叶变换透镜，22-第三傅里叶变换透镜，23-第四傅里叶变换透镜，24-第一渥拉斯顿棱镜，25-第二渥拉斯顿棱镜，26-第三渥拉斯顿棱镜，27-第四渥拉斯顿棱镜，28-第一光电探测器，29-第二光电探测器，30-第三光电探测器，31-第四光电探测器，32-第五光电探测器，33-第六光电探测器，34-第七光电探测器，35-第八光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进ー步说明。实施例1如图1所示，本发明的装置包括組合半波片(1)、四分之一波片O)、二分之一波片 (3)、渥拉斯顿棱镜0)、聚焦透镜( 和CCD相机(6)。一束待测螺旋光束垂直透过ー个m 阶的组合半波片(1)的中心，一至三阶的组合半波片(1)如图2所示，其为M个二分之一波
片拼接而成，快轴方向角度依次为P = /"^1 (n = 0，1L M-l)；出射的光束为一束左旋圆偏
M
振光和一束右旋圆偏振光的叠加，通过ー个快轴方向为水平的四分之一波片( 使其变换为两束偏振方向正交的线偏振光，其中一束偏振方向与水平方向成45°另一束与水平方向成135°，再通过ー个快轴与水平方向成22. 5°的二分之一波片(3)，偏振方向变为水平和竖直，通过ー个渥拉斯顿棱镜(4)将两束同轴传输的光分离，经聚焦透镜( 成像后，在焦点处用CCD相机(6)观测分离的光束，判断入射螺旋光束的轨道角动量量子数，若光场左侧出现实心光斑则入射螺旋光束的轨道角动量量子数为+m，若光场右侧出现实心光斑则入射螺旋光束的轨道角动量量子数为_m，若无实心光斑出现则需更换不同阶数的組合半波片 (1)再进行上述判断，如图3是用ー阶的组合半波片(1)检测LGtll和LGch1光束的結果，图4 是用ニ阶的组合半波片(1)检测LGtl2和LGch2光束的結果。实施例2我们可以对本发明的检测系统进行优化，使其无需每次更换组合半波片(1)，即可以实现对多个螺旋光束的轨道角动量进行实时测量。如图5所示，优化的检测系统包括第一分光平片(7)、第二分光平片(8)、第三分光平片(9)、第一反射镜(10)、第二反射镜(11)、一阶组合半波片(1 、ニ阶组合半波片(13)、 三阶组合半波片(14)、四阶组合半波片(15)、第一四分之一波片(16)、第二四分之一波片 (17)、第三四分之一波片(18)、第四四分之一波片(19)、第一傅里叶变换透镜(20)、第二傅里叶变换透镜(21)、第三傅里叶变换透镜(22)、第四傅里叶变换透镜(23)、第一渥拉斯顿棱镜04)、第二渥拉斯顿棱镜0 、第三渥拉斯顿棱镜06)、第四渥拉斯顿棱镜07)、第一光电探测器08)、第二光电探测器09)、第三光电探测器(30)、第四光电探测器(31)、第五光电探测器(3 、第六光电探测器(3 、第七光电探测器(34)和第八光电探测器(3 。入射的0°线偏振的-4至+4阶螺旋光束被第一分光平片(7)、第二分光平片(8)、第三分光平片(9)、第一反射镜(10)和第二反射镜(11)組成的系统分解为能量相等、传输方向相同的四束螺旋光，螺旋光束的偏振态和所携帯的轨道角动量量子数未发生改变，这四束光分別通过ー阶組合半波片(12)、ニ阶组合半波片(13)、三阶组合半波片(14)和四阶组合半波片 (15)后出射的四束光均为一束左旋圆偏振光和一束右旋圆偏振光的叠加，之后四束光都经过由四分之一波片、傅里叶变换透镜和渥拉斯顿棱镜组成的系统，使每束由旋向相反的圆偏振光叠加的光束转换为两束偏振方向正交的线偏振光，出射的八束光分別由第一光电探测器08)、第二光电探测器09)、第三光电探测器(30)、第四光电探测器(31)、第五光电探测器(32)、第六光电探测器(33)、第七光电探测器(34)和第八光电探测器(3 进行检測， 必有ー个光电探測器检测到一个实心光斑，则可根据光电探測器的编号确定入射螺旋光束的轨道角动量量子数。如图5右侧的仿真结果所示，一束轨道角动量未知的螺旋光束入射到系统中，当第三光电探测器(30)上出现实心光斑时则可判断入射螺旋光束的轨道角动量量子数为 +2;当第八光电探测器(3 上出现实心光斑时则可判断入射螺旋光束的轨道角动量量子数为-4。本实施例的能量利用率虽然只用1/8，但仍远高于光栅法，更重要的是调节简单， 可实现256个数据态的同时检測。 本实施例可以检测轨道角动量量子数为-4到+4的螺旋光束，若在系统中并联高阶的组合半波片及后续检测系统，则还可以扩大检测的范围。
权利要求
1.ー种利用組合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的装置，包括組合半波片、四分之一波片、二分之一波片、渥拉斯顿棱镜、聚焦透镜和CXD相机，其特征在于一束光轴与组合半波片中心重合的螺旋光束垂直透过组合半波片，然后通过ー个快轴方向水平的四分之一波片使其变换为两束偏振方向正交的线偏振光，其中一束线偏振光的偏振方向与水平方向成45°，另一束线偏振光的偏振方向与水平方向成135°，再通过ー个快轴方向与水平方向成22. 5°的二分之一波片，偏振方向变为水平和竖直，通过ー个渥拉斯顿棱镜将两束光分离，经聚焦透镜成像后，在焦点处用CCD相机观测分离的光束，更换不同阶数的組合半波片，可判断入射螺旋光束的轨道角动量量子数。
2.根据权利要求1所述的利用組合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的装置，其特征在于所述的组合半波片为M个二分之一波片拼接而成，快轴方向角度依次为p = mギ(η=0,1... Μ-1)，m为组合半波片的阶数，当具有士 m的轨道角动量量子数的光束入射经过m 阶组合半波片后可产生ー个具有实心光斑的光束。
3.根据权利要求1所述的利用組合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的装置，其特征在于所述的渥拉斯顿棱镜使经过组合半波片后得到的同轴传输的两束正交线偏振光分离，分离角为Φ = ZsirT1 [(nQ-ne)tan θ]，其中nQ和~为渥拉斯顿棱镜所用双折射晶体的寻常光和非常光的折射率，θ为渥拉斯顿棱镜晶体的切割角，如果出射光束中出现实心光束，可根据实心光束的位置来判断光束轨道角动量量子数的正负。
4.一种动态实时测量多个螺旋光束的轨道角动量的方法，包括第一分光平片、第二分光平片、第三分光平片、第一反射镜、第二反射镜、一阶组合半波片、ニ阶组合半波片、三阶組合半波片、四阶组合半波片、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第三四分之一波片、 第四四分之一波片、第一傅里叶变换透镜、第二傅里叶变换透镜、第三傅里叶变换透镜、第四傅里叶变换透镜、第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜、第三渥拉斯顿棱镜、第四渥拉斯顿棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探測器、第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器，其特征在于入射的0°线偏振的-4至+4阶螺旋光束被第一分光平片、第二分光平片、第三分光平片、第一反射镜和第二反射镜组成的系统分解为能量相等、传输方向相同的四束螺旋光，光束的偏振态和所携帯的轨道角动量量子数未发生改变，这四束光分别通过一阶组合半波片、ニ阶组合半波片、三阶组合半波片和四阶组合半波片后出射的四束光均为一束左旋圆偏振光和一束右旋圆偏振光的叠加，之后四束光都经过由四分之一波片、傅里叶变换透镜和渥拉斯顿棱镜组成的系统，使每束由旋向相反的圆偏振光叠加的光束转换为两束正交的线偏振光，出射的八束光分別由第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器进行检测，必有一个光电探測器检测到一实心光斑，则可根据光电探測器的位置确定入射螺旋光束的轨道角动量量子数，此检测系统可实现256个数据态的同时检測。
全文摘要
本发明是一种利用组合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的方法和装置，属于光电技术领域。本发明由组合半波片、四分之一波片、二分之一波片、渥拉斯顿棱镜、聚焦透镜和CCD相机组成。本发明实现了一种结构简单、高效的检测螺旋光束轨道角动量量子数的系统，采用组合半波片和渥拉斯顿棱镜为核心元件检测螺旋光束的轨道角动量，根据出射光斑来判断螺旋光束的轨道角动量量子数。本发明能够方便准确的探测螺旋光束的轨道角动量量子数，对于螺旋光束的应用具有非常重要的意义。
文档编号G01J1/42GK102538961SQ20121000487
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者王铮, 辛璟焘, 高春清 申请人:北京理工大学