專利名稱：利用組合半波片檢測螺旋光束的軌道角動量的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種利用組合半波片檢測螺旋光束的軌道角動量的方法和裝置，屬于光電技術領域。
背景技術：
軌道角動量(Orbital Angular Momentum, 0AM)是描述光的波前性質的ー個物理參數，攜帶軌道角動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而導致暗斑的出現，并形成亮環的結構。能夠方便準確的探測螺旋光束的軌道角動量，對于螺旋光束的應用具有非常重要的意義。目前，已經報道的測量螺旋光束的軌道角動量的方法有很多種，包括利用機械作用產生扭矩測量、利用ニ階強度矩測量、利用旋轉多普勒效應測量、利用楊氏雙縫或者衍射光柵測量、利用Mach-Zehnder干涉儀測量等。本發明涉及了一種檢測螺旋光束的軌道角動量的新方法，主要利用了組合半波片這一新型器件，具有結構簡單、效率高等優點。

發明內容
本發明的目的是提供ー種利用組合半波片檢測螺旋光束的軌道角動量的方法和
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^ci ο本發明的目的是由下述技術方案實現的本發明提供的ー種利用組合半波片檢測螺旋光束的軌道角動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。所述的組合半波片讓被檢測的一束光軸與組合半波片中心重合的螺旋光束垂直透過，用于檢測螺旋光束的軌道角動量，若出射光斑為實心則螺旋光束的軌道角動量量子數的絕對值等于所用組合半波片的階數，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，用于軌道角動量量子數的絕對值等于所用組合半波片的階數，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判斷光束軌道角動量量子數的正負；所述的聚焦透鏡置于渥拉斯頓棱鏡后，用于成像；所述的CXD相機置于聚焦透鏡焦點處，用于觀察并判斷入射螺旋光束的軌道角動量量子數。本發明提供的一種動態實時測量多個螺旋光束的軌道角動量的方法為ー個并聯形式的檢測系統，首先將待測螺旋光束等能量分成4束，4束光分別通過ー階、ニ階、三階和四階組合半波片，之后再經過1/4波片成為線偏振光，再經過渥拉斯頓棱鏡分光，得到8束光，最后用光電ニ極管探測。此檢測系統的能量利用率雖然只用1/8，但是遠高于光柵方法， 更重要的是調節簡單，可實現256個數據態的同時傳輸。本發明提供的利用組合半波片檢測螺旋光束的軌道角動量的具體步驟為被檢測的螺旋光束垂直透過ー個組合半波片的中心，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，通過ー個快軸方向為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，其中一束偏振方向與水平方向成45°另一束與水平方向成135°，再通過ー個快軸方向與水平方向成22. 5°的二分之一波片，偏振方向變為水平和豎直，通過ー個渥拉斯頓棱鏡將兩束同軸傳輸的光分離，經聚焦透鏡成像后，在焦點處用 CCD相機觀測分離的光束，更換不同階數的組合半波片，判斷入射螺旋光束的軌道角動量量子數。本發明的有益效果①檢測裝置結構簡単。②效率遠高于衍射光柵方法。③能夠動態實時的檢測多個光束軌道角動量態。


圖1是本發明的原理圖；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。圖2是線偏振光入射透過不同階的組合半波片后光場偏振分布示意圖；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LGtll模和LGch1模光束的仿真和實驗結果圖；圖中，上方兩個圖分別為LGtll模和LGch1模光束經過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果圖，下方為實驗結果圖。圖4是利用ニ階組合半波片檢測LGtl2模和LGch2模光束的仿真和實驗結果圖；圖中，上方兩個圖分別為LGtl2模和LGch2模光束經過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果圖，下方為實驗結果圖。圖5是基于組合半波片的動態實時測量多個螺旋光束的軌道角動量系統的實驗原理圖；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-第一光電探測器，29-第二光電探測器，30-第三光電探測器，31-第四光電探測器，32-第五光電探測器，33-第六光電探測器，34-第七光電探測器，35-第八光電探測器。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進ー步說明。實施例1如圖1所示，本發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(6)。一束待測螺旋光束垂直透過ー個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，通過ー個快軸方向為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，其中一束偏振方向與水平方向成45°另一束與水平方向成135°，再通過ー個快軸與水平方向成22. 5°的二分之一波片(3)，偏振方向變為水平和豎直，通過ー個渥拉斯頓棱鏡(4)將兩束同軸傳輸的光分離，經聚焦透鏡( 成像后，在焦點處用CCD相機(6)觀測分離的光束，判斷入射螺旋光束的軌道角動量量子數，若光場左側出現實心光斑則入射螺旋光束的軌道角動量量子數為+m，若光場右側出現實心光斑則入射螺旋光束的軌道角動量量子數為_m，若無實心光斑出現則需更換不同階數的組合半波片 (1)再進行上述判斷，如圖3是用ー階的組合半波片(1)檢測LGtll和LGch1光束的結果，圖4 是用ニ階的組合半波片(1)檢測LGtl2和LGch2光束的結果。實施例2我們可以對本發明的檢測系統進行優化，使其無需每次更換組合半波片(1)，即可以實現對多個螺旋光束的軌道角動量進行實時測量。如圖5所示，優化的檢測系統包括第一分光平片(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)、第一光電探測器08)、第二光電探測器09)、第三光電探測器(30)、第四光電探測器(31)、第五光電探測器(3 、第六光電探測器(3 、第七光電探測器(34)和第八光電探測器(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，螺旋光束的偏振態和所攜帯的軌道角動量量子數未發生改變，這四束光分別通過ー階組合半波片(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，之后四束光都經過由四分之一波片、傅里葉變換透鏡和渥拉斯頓棱鏡組成的系統，使每束由旋向相反的圓偏振光疊加的光束轉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器08)、第二光電探測器09)、第三光電探測器(30)、第四光電探測器(31)、第五光電探測器(32)、第六光電探測器(33)、第七光電探測器(34)和第八光電探測器(3 進行檢測， 必有ー個光電探測器檢測到一個實心光斑，則可根據光電探測器的編號確定入射螺旋光束的軌道角動量量子數。如圖5右側的仿真結果所示，一束軌道角動量未知的螺旋光束入射到系統中，當第三光電探測器(30)上出現實心光斑時則可判斷入射螺旋光束的軌道角動量量子數為 +2;當第八光電探測器(3 上出現實心光斑時則可判斷入射螺旋光束的軌道角動量量子數為-4。本實施例的能量利用率雖然只用1/8，但仍遠高于光柵法，更重要的是調節簡單， 可實現256個數據態的同時檢測。 本實施例可以檢測軌道角動量量子數為-4到+4的螺旋光束，若在系統中并聯高階的組合半波片及后續檢測系統，則還可以擴大檢測的范圍。
權利要求
1.ー種利用組合半波片檢測螺旋光束的軌道角動量的裝置，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，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組合半波片，然后通過ー個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°，再通過ー個快軸方向與水平方向成22. 5°的二分之一波片，偏振方向變為水平和豎直，通過ー個渥拉斯頓棱鏡將兩束光分離，經聚焦透鏡成像后，在焦點處用CCD相機觀測分離的光束，更換不同階數的組合半波片，可判斷入射螺旋光束的軌道角動量量子數。
2.根據權利要求1所述的利用組合半波片檢測螺旋光束的軌道角動量的裝置，其特征在于所述的組合半波片為M個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，當具有士 m的軌道角動量量子數的光束入射經過m 階組合半波片后可產生ー個具有實心光斑的光束。
3.根據權利要求1所述的利用組合半波片檢測螺旋光束的軌道角動量的裝置，其特征在于所述的渥拉斯頓棱鏡使經過組合半波片后得到的同軸傳輸的兩束正交線偏振光分離，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實心光束，可根據實心光束的位置來判斷光束軌道角動量量子數的正負。
4.一種動態實時測量多個螺旋光束的軌道角動量的方法，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、第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器、第四光電探測器、第五光電探測器、第六光電探測器、第七光電探測器和第八光電探測器，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，光束的偏振態和所攜帯的軌道角動量量子數未發生改變，這四束光分別通過一階組合半波片、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，之后四束光都經過由四分之一波片、傅里葉變換透鏡和渥拉斯頓棱鏡組成的系統，使每束由旋向相反的圓偏振光疊加的光束轉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器、第二光電探測器、第三光電探測器、第四光電探測器、第五光電探測器、第六光電探測器、第七光電探測器和第八光電探測器進行檢測，必有一個光電探測器檢測到一實心光斑，則可根據光電探測器的位置確定入射螺旋光束的軌道角動量量子數，此檢測系統可實現256個數據態的同時檢測。
全文摘要
本發明是一種利用組合半波片檢測螺旋光束的軌道角動量的方法和裝置，屬于光電技術領域。本發明由組合半波片、四分之一波片、二分之一波片、渥拉斯頓棱鏡、聚焦透鏡和CCD相機組成。本發明實現了一種結構簡單、高效的檢測螺旋光束軌道角動量量子數的系統，采用組合半波片和渥拉斯頓棱鏡為核心元件檢測螺旋光束的軌道角動量，根據出射光斑來判斷螺旋光束的軌道角動量量子數。本發明能夠方便準確的探測螺旋光束的軌道角動量量子數，對于螺旋光束的應用具有非常重要的意義。
文檔編號G01J1/42GK102538961SQ20121000487
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月4日 優先權日2012年1月4日
發明者王錚, 辛璟燾, 高春清 申請人:北京理工大學