專利名稱：實現(xiàn)混合螺旋相位光束軌道角動量態(tài)解調(diào)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)含有多個軌道角動量態(tài)的混合螺旋相位光束的軌道角 動量態(tài)解調(diào)的方法和裝置，屬于光電應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
實現(xiàn)混合螺旋相位光束軌道角動量態(tài)解調(diào)的裝置，能夠測量具有單一軌道 角動量態(tài)分量和多個混合軌道角動量態(tài)分量的光束的軌道角動量態(tài)，這樣的裝 置在利用光束軌道角動量進行信息存儲和傳輸方面具有重要的應(yīng)用前景。
光的軌道角動量是描述光波螺旋波前特征的一個物理量。具有exp(i/p)形式 相位因子的光束，每個光子攜帶軌道角動量/力(/為軌道角動量量子數(shù))，此類光
束中心存在相位奇點，波前呈現(xiàn)周期螺旋性，可將其光場分布按螺旋諧波展開
光場中各個螺旋諧波分量上的能量分布，構(gòu)成了光的軌道角動量譜，也稱
為螺旋譜。光束軌道角動量可以取(-00,+00)區(qū)間內(nèi)的任意值，構(gòu)成無窮維向量空
間，若用光束軌道量特征態(tài)來表征信息，則軌道角動量態(tài)可以攜帶無窮大的信 息量，這使得利用光的軌道角動量進行信息傳輸成為一個研究熱點。利用光束 的軌道角動量進行通信時，數(shù)據(jù)解調(diào)是一個必不可少的組成部分，需要檢測出 光束中所包含的各個軌道角動量分量。
目前，實現(xiàn)光束軌道角動量檢測的方法有多種，如利用機械作用產(chǎn)生扭矩 測量、利用二階強度矩測量、利用旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)測量、利用衍射光柵測量、
利用Mach-Zehnder干涉儀測量等等。其中，利用機械作用產(chǎn)生的扭矩測量和利
背景技術(shù)：
光在各個螺旋諧波分量上的能量為.-用光束二階強度矩測量的方法只能測量光場總的軌道角動量；利用旋轉(zhuǎn)多普勒
效應(yīng)的方法難以測量包含多個角量子數(shù)螺旋分量的光束的軌道角動量。利用衍 射光柵(相位光柵或者振幅光柵)能夠?qū)崿F(xiàn)軌道角動量態(tài)的測量，但是，單純 利用衍射光柵只能夠測定單個軌道角動量態(tài)或者同軸疊加的多個互不相干的軌 道角動量態(tài)，難以測量同軸疊加的多個相干軌道角動量態(tài)，并且很難確定各個
軌道角動量態(tài)之間的能量分布情況。利用兩臂帶有Dove棱鏡的Mach-Zehnder 干涉儀可以分離具有不同角動量數(shù)的螺旋光束，但這種裝置只能實現(xiàn)具有不同 角量子數(shù)的螺旋光從Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端口分別輸出，而不能確 定各輸出光的軌道角動量態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種實現(xiàn)含有多個軌道角動量態(tài)的混合螺旋相位光束 的軌道角動量態(tài)解調(diào)的方法和裝置。
本發(fā)明的目的是由下述技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明的裝置包括四個分光鏡、兩個全反射鏡、兩個Dove棱鏡、兩個衍射 光柵、兩個凸透鏡、兩個CCD探測器、兩個能量計。
所述的分光鏡能量分光比均為50/50，用作分光的分光鏡分光膜位于分光鏡 前表面，與入射光成45°角，用作合光的分光鏡分光膜位于分光鏡后表面，且 與起分光作用的分光鏡相互平行，另外兩個分光鏡分別位于Mach-Zehnder干涉 儀的兩個輸出端且互相垂直，其中 -片分光鏡與起分光作用的分光鏡相互平行； 所述的全反射鏡均為45°全反，其反射面均與起分光作用的分光鏡相互平行； 所述的兩個Dove棱鏡分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩臂上且相對旋轉(zhuǎn)過兀/n (n = 2,3,4...)的角度，Dove棱鏡相對旋轉(zhuǎn)時中心軸與光軸重合；所述的兩個 衍射光柵分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端，其中心軸與光軸重合； 所述的兩個凸透鏡分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端，且分別與同軸 上的衍射光柵呈一倍焦距的距離；所述的兩個CCD探測器分別位于 Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端，且分別與同軸上的凸透鏡呈 -倍焦距的距 離；所述的兩個能量計分別位于干涉儀輸出端分光鏡的反射輸出光軸上。
本發(fā)明提供的實現(xiàn)含有多個軌道角動量態(tài)的混合螺旋相位光束的軌道角動 量態(tài)解調(diào)的方法由三個功能塊構(gòu)成，具體步驟為
①實現(xiàn)不同角量子數(shù)螺旋光的分離，具體步驟為Mach-Zehnder干涉儀兩臂上的Dove棱鏡相對旋轉(zhuǎn)過7i/n (n = 2,3,4...)的 角度時，對于角量子數(shù)為/的螺旋光束將引入2/兀/n的附加相位差，譬如n-2 時角量子數(shù)為/的螺旋光束將引入/tc的附加相位差，可實現(xiàn)角量子數(shù)為奇數(shù)和 偶數(shù)的螺旋光束從Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端分別輸出；
② 實現(xiàn)光束中各螺旋分量能量的測量，具體步驟為
在Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端上.分別插入相同的50/50分光鏡并 用能量計測量反射能量，即可測得待測光束中螺旋分量的能量分布情況。
③ 實現(xiàn)光束中包含螺旋分量軌道角動量態(tài)的測量，具體步驟為
在Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端上兩個分光鏡的透射光分別入射到衍 射光柵上，通過觀測遠場衍射場各衍射級的分布情況可以分別確定兩個輸出端 上輸出光的軌道角動量態(tài)。 有益效果
采用本發(fā)明能夠檢測混合螺旋相位光束中所包含的各個螺旋分量的軌道角 動量態(tài)和各個螺旋分量的能量分布情況。
圖l是本發(fā)明的原理圖，圖中，l-分光鏡，2-分光鏡，3-分光鏡，4-分光鏡， 5陽全反射鏡，6-全反射鏡，7-Dove棱鏡，8-Dove棱鏡，9-衍射光柵，10-衍射光 柵，11-凸透鏡，12-凸透鏡，13-CCD探測器，14-CCD探測器，15-能量計，16-
能量計。
圖2是本發(fā)明可采用的替代方案，圖中的9-衍射光柵和10-衍射光柵生成的 遠場衍射場各衍射級能量分布相等。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明。
如

圖1所示，本發(fā)明的裝置包括分光鏡1、 2、 3、 4、全反射鏡5、 6、 Dove 棱鏡7、 8、衍射光柵9、 10、凸透鏡ll、 12、'CCD探測器13、 14、能量計15、 16。分光鏡1、 2、 3、 4能量分光比為50/50，分光鏡1的分光膜位于入射前表 面，與入射光成45°角，分光鏡2的分光膜位于入射后表面，且與分光鏡l相 互平行，分光鏡3、 4分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端且互相垂直， 分光鏡3與分光鏡1相互平行；全反射鏡5、 6為45°全反，其反射面均與分光 鏡1相互平行；Dove棱鏡7、 8分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩臂上且相對 旋轉(zhuǎn)過7i/n (n = 2,3，4...)的角度，Dove棱鏡相對旋轉(zhuǎn)時中心軸與光軸重合；衍射光柵9、 10分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端其中心軸與光軸重合； 凸透鏡ll、 12分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端，且分別與衍射光柵 9、 IO呈一倍焦距的距離；CCD探測器13、 14分別位于Mach-Zehnder干涉儀 的兩個輸出端，且分別與凸透鏡11、 12呈一倍焦距的距離；能量計15、 16分 別位于分光鏡3、 4的反射輸出端。具體的實施步驟為入射光束經(jīng)分光鏡l后 分為能量相等的兩束光分別進入Mach-Zehnder干涉儀的兩臂，由于干涉儀兩臂 上的Dove棱鏡相對旋轉(zhuǎn)過兀/n (n = 2,3,4...)的角度，使得干涉儀兩臂中的光束 引入2/7c/n的附加相位差(/為角量子數(shù))，不同角量子數(shù)的螺旋分量從 Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端分別輸出，在干涉儀兩個輸出端上的分光鏡 3、4反射一半輸出能量照射到能量計15、 16上用于測量螺旋分量能量分布情況， 透射能量照射到衍射光柵9、 10上用于確定螺旋分量的軌道角動量態(tài)，此處若 采用各衍射級能量均勻分布的衍射光柵，則可以省去分光鏡3、4以及能量計15、 16)，如圖2所示。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)含有多個軌道角動量態(tài)的混合螺旋相位光束的軌道角動量態(tài)解調(diào)的裝置，包括四個50/50分光鏡(1)(2)(3)(4)、兩個45°全反射鏡(5)(6)、兩個Dove棱鏡(7)(8)、兩個衍射光柵(9)(10)、兩個凸透鏡(11)(12)、兩個CCD探測器(13)(14)、兩個能量計(15)(16)。其特征在于分光鏡(1)的分光膜位于入射前表面，與入射光成45°角，分光鏡(2)的分光膜位于入射后表面，且與分光鏡(1)相互平行，分光鏡(3)(4)分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端且互相垂直，分光鏡(3)與分光鏡(1)相互平行；全反射鏡(5)(6)反射面均與分光鏡(1)相互平行；Dove棱鏡(7)(8)分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩臂上且相對旋轉(zhuǎn)過π/n(n＝2，3，4...)的角度，Dove棱鏡相對旋轉(zhuǎn)時中心軸與光軸重合；衍射光柵(9)(10)分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端其中心軸與光軸重合；凸透鏡(11)(12)分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端，且分別與衍射光柵(9)(10)呈一倍焦距的距離；CCD探測器(13)(14)分別位于Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端，且分別與凸透鏡(11)(12)呈一倍焦距的距離；能量計(15)(16)分別位于分光鏡(3)(4)的反射輸出端。
2. —種實現(xiàn)含有多個軌道角動量態(tài)的混合螺旋相位光束的軌道角動量 態(tài)解調(diào)的方法，其特征在于① 實現(xiàn)不同角量子數(shù)螺旋光的分離，Mach-Zehnder干涉儀兩臂上的 Dove棱鏡相對旋轉(zhuǎn)過兀/n (n = 2,3,4...)的角度時，對于角量子數(shù)為/的螺 旋光束將引入2/Ti/n的附加相位差，譬如n = 2時角量子數(shù)為/的螺旋光束 將引入/71的附加相位差，可實現(xiàn)角量子數(shù)為奇數(shù)和偶數(shù)的螺旋光束從 Mach-Zehnder干涉儀的兩個輸出端分別輸出；② 實現(xiàn)光束中各螺旋分量能量的測量，在Mach-Zehnder干涉儀的兩個 輸出端上，分別插入相同的50/50分光鏡并用能量計測量反射能量，即可 測得待測光束中螺旋分量的能量分布情況；③ 實現(xiàn)光束中包含螺旋分量軌道角動量態(tài)的測量，在Mach-Zehnder 干涉儀的兩個輸出端上兩個分光鏡的透射光分別入射到衍射光柵上，通過 觀測遠場衍射場各衍射級的分布情況可以確定兩個輸出端上輸出光束的軌 道角動量態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明為實現(xiàn)含有多個軌道角動量態(tài)的混合螺旋相位光束的軌道角動量態(tài)解調(diào)的方法和裝置。本發(fā)明包括四個50/50分光鏡、兩個45°全反射鏡、兩個Dove棱鏡、兩個衍射光柵、兩個凸透鏡、兩個CCD探測器、兩個能量計。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)不同角量子數(shù)螺旋光的分離，實現(xiàn)光束中各螺旋分量能量的測量，實現(xiàn)光束中包含螺旋分量軌道角動量態(tài)的測量。本發(fā)明采用兩臂帶有Dove棱鏡的Mach-Zehnder干涉儀分離光束中不同角量子數(shù)螺旋分量，采用分光鏡和能量計測量光束中各個螺旋分量的能量分布情況，并采用衍射光柵標(biāo)定分離出的螺旋分量的軌道角動量態(tài)。本發(fā)明在光軌道角動量信息存儲和傳輸領(lǐng)域有應(yīng)用價值。
文檔編號G01J9/00GK101587281SQ200910086930
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者劉義東, 高明偉, 高春清, 齊曉慶 申請人:北京理工大學(xué)