專利名稱：利用組合半波片檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種利用組合半波片檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的方法和裝置，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum, 0AM)是描述光的波前性質(zhì)的ー個(gè)物理參數(shù)，攜帶軌道角動(dòng)量的光束的特征是其波前為螺旋形，這種光束也被稱為螺旋光束。常見(jiàn)的螺旋光束包括拉蓋爾一高斯光束和貝塞爾光束，它們由于中心的相位奇點(diǎn)而導(dǎo)致暗斑的出現(xiàn)，并形成亮環(huán)的結(jié)構(gòu)。能夠方便準(zhǔn)確的探測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量，對(duì)于螺旋光束的應(yīng)用具有非常重要的意義。目前，已經(jīng)報(bào)道的測(cè)量螺旋光束的軌道角動(dòng)量的方法有很多種，包括利用機(jī)械作用產(chǎn)生扭矩測(cè)量、利用ニ階強(qiáng)度矩測(cè)量、利用旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)測(cè)量、利用楊氏雙縫或者衍射光柵測(cè)量、利用Mach-Zehnder干涉儀測(cè)量等。本發(fā)明涉及了一種檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的新方法，主要利用了組合半波片這一新型器件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種利用組合半波片檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的方法和
>J-U pcrj
^ci ο本發(fā)明的目的是由下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的ー種利用組合半波片檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的裝置包括組合半波片、四分之一波片、二分之一波片、渥拉斯頓棱鏡、聚焦透鏡和CXD相機(jī)。所述的組合半波片讓被檢測(cè)的一束光軸與組合半波片中心重合的螺旋光束垂直透過(guò)，用于檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量，若出射光斑為實(shí)心則螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)的絕對(duì)值等于所用組合半波片的階數(shù)，出射光束為兩束圓偏振光的疊加；所述的四分之一波片的快軸為水平方向置于組合半波片后，用于軌道角動(dòng)量量子數(shù)的絕對(duì)值等于所用組合半波片的階數(shù)，出射光束為兩束圓偏振光的疊加；所述的四分之一波片的快軸為水平方向置于組合半波片后，用于將兩束圓偏振光的疊加變換為線偏振光的疊加；所述的二分之一波片的快軸方向與水平方向成22. 5°，置于四分之一波片后，用于使光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)為水平和豎直；所述的渥拉斯頓棱鏡的分離角可以由Φ = 28111-1 [(n0-ne) tan θ ]計(jì)算得到，式中no和も為渥拉斯頓棱鏡所用雙折射晶體的尋常光和非常光的折射率，θ為渥拉斯頓棱鏡晶體的切割角，將其置于二分之一波片后，用于使兩束疊加的偏振方向正交的衍射光分離來(lái)判斷光束軌道角動(dòng)量量子數(shù)的正負(fù)；所述的聚焦透鏡置于渥拉斯頓棱鏡后，用于成像；所述的CXD相機(jī)置于聚焦透鏡焦點(diǎn)處，用于觀察并判斷入射螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)。本發(fā)明提供的一種動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量多個(gè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的方法為ー個(gè)并聯(lián)形式的檢測(cè)系統(tǒng)，首先將待測(cè)螺旋光束等能量分成4束，4束光分別通過(guò)ー階、ニ階、三階和四階組合半波片，之后再經(jīng)過(guò)1/4波片成為線偏振光，再經(jīng)過(guò)渥拉斯頓棱鏡分光，得到8束光，最后用光電ニ極管探測(cè)。此檢測(cè)系統(tǒng)的能量利用率雖然只用1/8，但是遠(yuǎn)高于光柵方法， 更重要的是調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)256個(gè)數(shù)據(jù)態(tài)的同時(shí)傳輸。本發(fā)明提供的利用組合半波片檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的具體步驟為被檢測(cè)的螺旋光束垂直透過(guò)ー個(gè)組合半波片的中心，出射的光束為一束左旋圓偏振光和一束右旋圓偏振光的同軸疊加，通過(guò)ー個(gè)快軸方向?yàn)樗降乃姆种徊ㄆ蛊渥儞Q為兩束偏振方向正交的線偏振光，其中一束偏振方向與水平方向成45°另一束與水平方向成135°，再通過(guò)ー個(gè)快軸方向與水平方向成22. 5°的二分之一波片，偏振方向變?yōu)樗胶拓Q直，通過(guò)ー個(gè)渥拉斯頓棱鏡將兩束同軸傳輸?shù)墓夥蛛x，經(jīng)聚焦透鏡成像后，在焦點(diǎn)處用 CCD相機(jī)觀測(cè)分離的光束，更換不同階數(shù)的組合半波片，判斷入射螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)。本發(fā)明的有益效果①檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)単。②效率遠(yuǎn)高于衍射光柵方法。③能夠動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的檢測(cè)多個(gè)光束軌道角動(dòng)量態(tài)。


圖1是本發(fā)明的原理圖；圖中，I-組合半波片，2-四分之一波片，3-二分之一波片，4-渥拉斯頓棱鏡，5-聚焦透鏡，6-CXD相機(jī)。圖2是線偏振光入射透過(guò)不同階的組合半波片后光場(chǎng)偏振分布示意圖；圖中，從上到下依次為0°線偏振光束入射通過(guò)1、2、3階組合半波片后出射光分別為1、2、3階矢量光束。圖3是利用一階組合半波片檢測(cè)LGtll模和LGch1模光束的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；圖中，上方兩個(gè)圖分別為L(zhǎng)Gtll模和LGch1模光束經(jīng)過(guò)ー階組合半波片后用渥拉斯頓棱鏡分離出兩束正交偏振光束的仿真結(jié)果圖，下方為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。圖4是利用ニ階組合半波片檢測(cè)LGtl2模和LGch2模光束的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；圖中，上方兩個(gè)圖分別為L(zhǎng)Gtl2模和LGch2模光束經(jīng)過(guò)ニ階組合半波片后用渥拉斯頓棱鏡分離出兩束正交偏振光束的仿真結(jié)果圖，下方為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。圖5是基于組合半波片的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量多個(gè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原理圖；圖中，7-第一分光平片，8-第二分光平片，9-第三分光平片，10-第一反射鏡， 11-第二反射鏡，12- 一階組合半波片，13- ニ階組合半波片，14-三階組合半波片，15-四階組合半波片，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-第一傅里葉變換透鏡，21-第二傅里葉變換透鏡，22-第三傅里葉變換透鏡，23-第四傅里葉變換透鏡，24-第一渥拉斯頓棱鏡，25-第二渥拉斯頓棱鏡，26-第三渥拉斯頓棱鏡，27-第四渥拉斯頓棱鏡，28-第一光電探測(cè)器，29-第二光電探測(cè)器，30-第三光電探測(cè)器，31-第四光電探測(cè)器，32-第五光電探測(cè)器，33-第六光電探測(cè)器，34-第七光電探測(cè)器，35-第八光電探測(cè)器。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步說(shuō)明。實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明的裝置包括組合半波片(1)、四分之一波片O)、二分之一波片 (3)、渥拉斯頓棱鏡0)、聚焦透鏡( 和CCD相機(jī)(6)。一束待測(cè)螺旋光束垂直透過(guò)ー個(gè)m 階的組合半波片(1)的中心，一至三階的組合半波片(1)如圖2所示，其為M個(gè)二分之一波
片拼接而成，快軸方向角度依次為P = /"^1 (n = 0，1L M-l)；出射的光束為一束左旋圓偏
M
振光和一束右旋圓偏振光的疊加，通過(guò)ー個(gè)快軸方向?yàn)樗降乃姆种徊ㄆ? 使其變換為兩束偏振方向正交的線偏振光，其中一束偏振方向與水平方向成45°另一束與水平方向成135°，再通過(guò)ー個(gè)快軸與水平方向成22. 5°的二分之一波片(3)，偏振方向變?yōu)樗胶拓Q直，通過(guò)ー個(gè)渥拉斯頓棱鏡(4)將兩束同軸傳輸?shù)墓夥蛛x，經(jīng)聚焦透鏡( 成像后，在焦點(diǎn)處用CCD相機(jī)(6)觀測(cè)分離的光束，判斷入射螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)，若光場(chǎng)左側(cè)出現(xiàn)實(shí)心光斑則入射螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)為+m，若光場(chǎng)右側(cè)出現(xiàn)實(shí)心光斑則入射螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)為_(kāi)m，若無(wú)實(shí)心光斑出現(xiàn)則需更換不同階數(shù)的組合半波片 (1)再進(jìn)行上述判斷，如圖3是用ー階的組合半波片(1)檢測(cè)LGtll和LGch1光束的結(jié)果，圖4 是用ニ階的組合半波片(1)檢測(cè)LGtl2和LGch2光束的結(jié)果。實(shí)施例2我們可以對(duì)本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使其無(wú)需每次更換組合半波片(1)，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。如圖5所示，優(yōu)化的檢測(cè)系統(tǒng)包括第一分光平片(7)、第二分光平片(8)、第三分光平片(9)、第一反射鏡(10)、第二反射鏡(11)、一階組合半波片(1 、ニ階組合半波片(13)、 三階組合半波片(14)、四階組合半波片(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)、第一傅里葉變換透鏡(20)、第二傅里葉變換透鏡(21)、第三傅里葉變換透鏡(22)、第四傅里葉變換透鏡(23)、第一渥拉斯頓棱鏡04)、第二渥拉斯頓棱鏡0 、第三渥拉斯頓棱鏡06)、第四渥拉斯頓棱鏡07)、第一光電探測(cè)器08)、第二光電探測(cè)器09)、第三光電探測(cè)器(30)、第四光電探測(cè)器(31)、第五光電探測(cè)器(3 、第六光電探測(cè)器(3 、第七光電探測(cè)器(34)和第八光電探測(cè)器(3 。入射的0°線偏振的-4至+4階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)、第一反射鏡(10)和第二反射鏡(11)組成的系統(tǒng)分解為能量相等、傳輸方向相同的四束螺旋光，螺旋光束的偏振態(tài)和所攜帯的軌道角動(dòng)量量子數(shù)未發(fā)生改變，這四束光分別通過(guò)ー階組合半波片(12)、ニ階組合半波片(13)、三階組合半波片(14)和四階組合半波片 (15)后出射的四束光均為一束左旋圓偏振光和一束右旋圓偏振光的疊加，之后四束光都經(jīng)過(guò)由四分之一波片、傅里葉變換透鏡和渥拉斯頓棱鏡組成的系統(tǒng)，使每束由旋向相反的圓偏振光疊加的光束轉(zhuǎn)換為兩束偏振方向正交的線偏振光，出射的八束光分別由第一光電探測(cè)器08)、第二光電探測(cè)器09)、第三光電探測(cè)器(30)、第四光電探測(cè)器(31)、第五光電探測(cè)器(32)、第六光電探測(cè)器(33)、第七光電探測(cè)器(34)和第八光電探測(cè)器(3 進(jìn)行檢測(cè)， 必有ー個(gè)光電探測(cè)器檢測(cè)到一個(gè)實(shí)心光斑，則可根據(jù)光電探測(cè)器的編號(hào)確定入射螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)。如圖5右側(cè)的仿真結(jié)果所示，一束軌道角動(dòng)量未知的螺旋光束入射到系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)谌怆娞綔y(cè)器(30)上出現(xiàn)實(shí)心光斑時(shí)則可判斷入射螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)為 +2;當(dāng)?shù)诎斯怆娞綔y(cè)器(3 上出現(xiàn)實(shí)心光斑時(shí)則可判斷入射螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)為-4。本實(shí)施例的能量利用率雖然只用1/8，但仍遠(yuǎn)高于光柵法，更重要的是調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單， 可實(shí)現(xiàn)256個(gè)數(shù)據(jù)態(tài)的同時(shí)檢測(cè)。 本實(shí)施例可以檢測(cè)軌道角動(dòng)量量子數(shù)為-4到+4的螺旋光束，若在系統(tǒng)中并聯(lián)高階的組合半波片及后續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)，則還可以擴(kuò)大檢測(cè)的范圍。
權(quán)利要求
1.ー種利用組合半波片檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的裝置，包括組合半波片、四分之一波片、二分之一波片、渥拉斯頓棱鏡、聚焦透鏡和CXD相機(jī)，其特征在于一束光軸與組合半波片中心重合的螺旋光束垂直透過(guò)組合半波片，然后通過(guò)ー個(gè)快軸方向水平的四分之一波片使其變換為兩束偏振方向正交的線偏振光，其中一束線偏振光的偏振方向與水平方向成45°，另一束線偏振光的偏振方向與水平方向成135°，再通過(guò)ー個(gè)快軸方向與水平方向成22. 5°的二分之一波片，偏振方向變?yōu)樗胶拓Q直，通過(guò)ー個(gè)渥拉斯頓棱鏡將兩束光分離，經(jīng)聚焦透鏡成像后，在焦點(diǎn)處用CCD相機(jī)觀測(cè)分離的光束，更換不同階數(shù)的組合半波片，可判斷入射螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用組合半波片檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的裝置，其特征在于所述的組合半波片為M個(gè)二分之一波片拼接而成，快軸方向角度依次為p = mギ(η=0,1... Μ-1)，m為組合半波片的階數(shù)，當(dāng)具有士 m的軌道角動(dòng)量量子數(shù)的光束入射經(jīng)過(guò)m 階組合半波片后可產(chǎn)生ー個(gè)具有實(shí)心光斑的光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用組合半波片檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的裝置，其特征在于所述的渥拉斯頓棱鏡使經(jīng)過(guò)組合半波片后得到的同軸傳輸?shù)膬墒痪€偏振光分離，分離角為Φ = ZsirT1 [(nQ-ne)tan θ]，其中nQ和~為渥拉斯頓棱鏡所用雙折射晶體的尋常光和非常光的折射率，θ為渥拉斯頓棱鏡晶體的切割角，如果出射光束中出現(xiàn)實(shí)心光束，可根據(jù)實(shí)心光束的位置來(lái)判斷光束軌道角動(dòng)量量子數(shù)的正負(fù)。
4.一種動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量多個(gè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的方法，包括第一分光平片、第二分光平片、第三分光平片、第一反射鏡、第二反射鏡、一階組合半波片、ニ階組合半波片、三階組合半波片、四階組合半波片、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、第一傅里葉變換透鏡、第二傅里葉變換透鏡、第三傅里葉變換透鏡、第四傅里葉變換透鏡、第一渥拉斯頓棱鏡、第二渥拉斯頓棱鏡、第三渥拉斯頓棱鏡、第四渥拉斯頓棱鏡、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器、第四光電探測(cè)器、第五光電探測(cè)器、第六光電探測(cè)器、第七光電探測(cè)器和第八光電探測(cè)器，其特征在于入射的0°線偏振的-4至+4階螺旋光束被第一分光平片、第二分光平片、第三分光平片、第一反射鏡和第二反射鏡組成的系統(tǒng)分解為能量相等、傳輸方向相同的四束螺旋光，光束的偏振態(tài)和所攜帯的軌道角動(dòng)量量子數(shù)未發(fā)生改變，這四束光分別通過(guò)一階組合半波片、ニ階組合半波片、三階組合半波片和四階組合半波片后出射的四束光均為一束左旋圓偏振光和一束右旋圓偏振光的疊加，之后四束光都經(jīng)過(guò)由四分之一波片、傅里葉變換透鏡和渥拉斯頓棱鏡組成的系統(tǒng)，使每束由旋向相反的圓偏振光疊加的光束轉(zhuǎn)換為兩束正交的線偏振光，出射的八束光分別由第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器、第四光電探測(cè)器、第五光電探測(cè)器、第六光電探測(cè)器、第七光電探測(cè)器和第八光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，必有一個(gè)光電探測(cè)器檢測(cè)到一實(shí)心光斑，則可根據(jù)光電探測(cè)器的位置確定入射螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)，此檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)256個(gè)數(shù)據(jù)態(tài)的同時(shí)檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用組合半波片檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量的方法和裝置，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由組合半波片、四分之一波片、二分之一波片、渥拉斯頓棱鏡、聚焦透鏡和CCD相機(jī)組成。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效的檢測(cè)螺旋光束軌道角動(dòng)量量子數(shù)的系統(tǒng)，采用組合半波片和渥拉斯頓棱鏡為核心元件檢測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量，根據(jù)出射光斑來(lái)判斷螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)。本發(fā)明能夠方便準(zhǔn)確的探測(cè)螺旋光束的軌道角動(dòng)量量子數(shù)，對(duì)于螺旋光束的應(yīng)用具有非常重要的意義。
文檔編號(hào)G01J1/42GK102538961SQ20121000487
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者王錚, 辛璟燾, 高春清 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)