本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種熱光非定域角雙縫干涉方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1909年，Poynting發(fā)現(xiàn)光波具有自旋角動(dòng)量。1992年，Leidon大學(xué)的Allen等人發(fā)現(xiàn)光子除具有自旋角動(dòng)量外，還攜帶軌道角動(dòng)量(OAM)。

2002年，Glasgow大學(xué)的Padgett小組實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了光子軌道角動(dòng)量分離技術(shù)，并且指出以軌道角動(dòng)量作為信息載體，可大大提高單個(gè)光子的通訊容量，這主要是由于光子的軌道角動(dòng)量是無限維度的。

2001年，Zeilinger小組首次實(shí)驗(yàn)演示了自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的雙光子顯示出軌道角動(dòng)量糾纏。

2005年，Woerdman小組利用半整數(shù)階的螺旋相位實(shí)驗(yàn)演示了分?jǐn)?shù)軌道角動(dòng)量糾纏，并于2008年引入了“Shannon維度"的概念，用來刻畫了高維軌道角動(dòng)量糾纏所允許量子信道的通信容量。

目前，利用光子軌道角動(dòng)量作為信息載體的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域還屬于空白階段，很多應(yīng)用技術(shù)還僅處于理論探討階段，有待于本領(lǐng)域的科研人員做深入地開發(fā)和研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種熱光非定域角雙縫干涉方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種熱光非定域角雙縫干涉系統(tǒng)，其包括光路上依次設(shè)置的熱光源、非偏振分束器、空間光調(diào)制器(SLM)、單光子探測(cè)器(APD)和計(jì)算機(jī)；

所述熱光源用于發(fā)出非相干熱光束；

所述非相干熱光束通過所述非偏振分束器按照光強(qiáng)均分為第一光束和第二光束；

所述第一光束的光路為第一光路，

所述第二光束的光路為第二光路；

所述第一光路與所述第二光路上的元器件對(duì)稱設(shè)置；

所述空間光調(diào)制器用于改變光子的軌道角動(dòng)量；所述單光子探測(cè)器用于收集光信號(hào)；

所述空間光調(diào)制器包括所述第一光路和所述第二光路上對(duì)稱設(shè)置的第一空間光調(diào)制器(SLM₁)和第二空間光調(diào)制器(SLM₂)；

所述單光子探測(cè)器包括所述第一光路和所述第二光路上對(duì)稱設(shè)置的第一單光子探測(cè)器(APD₁)和第二單光子探測(cè)器(APD₂)；

所述第一單光子探測(cè)器(APD₁)和所述第二單光子探測(cè)器(APD₂)與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)同步采集所述第一光束和第二光束的光信號(hào)，并對(duì)第一光束和第二光束的光子進(jìn)行關(guān)聯(lián)測(cè)量。

進(jìn)一步地，所述第一單光子探測(cè)器(APD₁)和所述第二單光子探測(cè)器(APD₂)與所述計(jì)算機(jī)主板上的采集卡連接。

進(jìn)一步地，所述熱光源包括激光發(fā)生器和數(shù)字微鏡面，自激光發(fā)生器發(fā)出的激光束照射所述數(shù)字微鏡面產(chǎn)生空間相位隨機(jī)分布的非相干熱光束。

進(jìn)一步地，所述數(shù)字微鏡面(DMD)與所述非偏振分束器之間的光路上設(shè)置有只讓一級(jí)光譜通過的第一光闌。

進(jìn)一步地，所述數(shù)字微鏡面(DMD)與所述第一光闌之間設(shè)置有第一雙凸透鏡，所述第一光闌設(shè)置在第一雙凸透鏡的焦距上。

進(jìn)一步地，在所述非偏振分束器與所述第一光闌之間設(shè)置有第二雙凸透鏡。

進(jìn)一步地，所述第一單光子探測(cè)器(APD₁)包括通過單模光釬連接的第一鏡頭，所述第一鏡頭設(shè)置在所述第一光路末端，用于接收第一光束的信號(hào)；

所述第二單光子探測(cè)器(APD₂)包括通過單模光釬連接的第二鏡頭，所述第二鏡頭設(shè)置在所述第二光路末端，用于接收第二光束的信號(hào)。

進(jìn)一步地，在所述第一光路上，所述第一鏡頭和所述第一空間光調(diào)制器之間設(shè)置有第三雙凸透鏡、以及只讓一級(jí)光譜通過的第二光闌；

進(jìn)一步地，在所述第二光路上，所述第二鏡頭和所述第二空間光調(diào)制器之間設(shè)置有第四雙凸透鏡、以及只讓一級(jí)光譜通過的第三光闌。

進(jìn)一步地，所述第一空間光調(diào)制器和所述第二空間光調(diào)制器與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)用于通過空間光調(diào)制器向第一光束和/或第二光束加載代表不同角動(dòng)量的叉型圖或者待測(cè)物體。

進(jìn)一步地，所述待測(cè)物體為角向的振幅型透射物體。

本發(fā)明還提供了一種熱光非定域角雙縫干涉方法，所述熱光非定域角雙縫干涉方法包括如下步驟：

S1.非相干熱光束均分為第一光束和第二光束；

S2.所述第一光束和所述第二光束分別通過第一光路和第二光路，其中，第一光路和第二光路對(duì)稱設(shè)置；

S3.所述第一光束和所述第二光束上加載不同的軌道角動(dòng)量值；

S4.對(duì)第一光束和第二光束進(jìn)行軌道角動(dòng)量的關(guān)聯(lián)測(cè)量，利用熱光源的二階關(guān)聯(lián)特性，獲得角雙縫干涉圖譜。

進(jìn)一步地，所述第一光路和所述第二光路上對(duì)稱設(shè)置有空間光調(diào)制器，所述空間光調(diào)制器用于向所述第一光路和/或所述第二光路加載叉型圖或待測(cè)物體，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述第一光路和所述第二光路不同的軌道角動(dòng)量值的加載。

進(jìn)一步地，代表不同角動(dòng)量值的所述叉型圖由計(jì)算機(jī)程序生成。

進(jìn)一步地，步驟S4中，同步采集所述第一光束和第二光束的光信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)軌道角動(dòng)量的關(guān)聯(lián)測(cè)量。

進(jìn)一步地，步驟S4中，通過控制信號(hào)采集的時(shí)間窗口，以保持所述第一光路和所述第二光路的光子采集同步。

進(jìn)一步地，所述第一光束和第二光束進(jìn)行軌道角動(dòng)量的關(guān)聯(lián)測(cè)量時(shí)，需滿足如下公式：

其中，G⁽²⁾為代表軌道角動(dòng)量的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)；

l₁為第一光路中的軌道角動(dòng)量值；

l₂為第二光路中的軌道角動(dòng)量值；

I₁為第一光路中單光子探測(cè)器測(cè)量的光強(qiáng)值；

I₂為第二光路中單光子探測(cè)器測(cè)量的光強(qiáng)值；

為第一光路末端單光子探測(cè)器探測(cè)面的光場(chǎng)分布函數(shù)；

為第二光路末端單光子探測(cè)器探測(cè)面的光場(chǎng)分布函數(shù)；

ΔG為熱光軌道角動(dòng)量的漲落的關(guān)聯(lián)函數(shù)。

本發(fā)明利用非相干熱光源，首次實(shí)現(xiàn)了利用軌道角動(dòng)量域的關(guān)聯(lián)特性的角雙縫干涉；降低了對(duì)光源相干性的要求，從而拓展了其應(yīng)用范圍，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物體的非定域探測(cè)。系統(tǒng)中的兩個(gè)光路，一個(gè)光路可以稱為物光光路，另一個(gè)被稱為參考光路，其中，所述“非定域”是指第一光路和第二光路均只照射到角雙縫的一部分，而非直接照射到真正的待測(cè)角雙縫。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1提供的熱光非定域角雙縫干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為在干涉系統(tǒng)中的SLM上加載待測(cè)物體T₁、待測(cè)物體T₂以及相應(yīng)的軌道角動(dòng)量得到的叉型圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中第一光束的軌道角動(dòng)量值l₁固定，掃描第二光束軌道角動(dòng)量值l₂并將兩光路進(jìn)行關(guān)聯(lián)測(cè)量的情況下得到的軌道角動(dòng)量譜圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中單獨(dú)掃描l₂所獲得的強(qiáng)度分布譜線圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2中為軌道角動(dòng)量值l₂固定，掃描l₁并將兩光路進(jìn)行關(guān)聯(lián)測(cè)量所獲得的譜圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中單獨(dú)掃描l₁所獲得的強(qiáng)度分布譜線；

圖7為熱光定域角雙縫關(guān)聯(lián)干涉圖譜；

圖8為激光照射定域角雙縫干涉圖譜。

附圖標(biāo)記：

1-激光發(fā)生器；2-計(jì)算機(jī)；10-非相干熱光束；BS-非偏振分束器；11-第一光束；12-第二光束；SLM₁-第一空間光調(diào)制器；SLM₂-第二空間光調(diào)制器；Q₁-第一鏡頭；Q₂-第二鏡頭；APD₁-第一單光子探測(cè)器；APD₂-第二單光子探測(cè)器；P₁-第一光闌；P₂-第二光闌；P₃-第三光闌；L₁-第一雙凸透鏡；L₂-第二雙凸透鏡；L₃-第三雙凸透鏡；L₄-第四雙凸透鏡；SMF-單模光釬；DMD-數(shù)字微鏡面。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

下面結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋說明。

實(shí)施例1

如圖1-2所示，本實(shí)施例提供的一種熱光非定域角雙縫干涉系統(tǒng)，其包括光路上依次設(shè)置的熱光源、非偏振分束器BS、空間光調(diào)制器、單光子探測(cè)器和計(jì)算機(jī)2；

熱光源用于發(fā)出非相干熱光束10；

非相干熱光束10通過非偏振分束器BS按照光強(qiáng)均分為第一光束11和第二光束12；

第一光束11的光路為第一光路，

第二光束12的光路為第二光路；

第一光路與第二光路上的元器件對(duì)稱設(shè)置；

空間光調(diào)制器用于改變光子的軌道角動(dòng)量；單光子探測(cè)器用于收集光信號(hào)；

空間光調(diào)制器包括第一光路和第二光路上對(duì)稱設(shè)置的第一空間光調(diào)制器SLM₁和第二空間光調(diào)制器SLM₂；

單光子探測(cè)器包括第一光路和第二光路上對(duì)稱設(shè)置的第一單光子探測(cè)器APD₁和第二單光子探測(cè)器APD₂；

第一單光子探測(cè)器APD₁和第二單光子探測(cè)器APD₂與計(jì)算機(jī)2連接，計(jì)算機(jī)2同步采集第一光束11和第二光束12的光信號(hào)，并對(duì)第一光束11和第二光束12的光子進(jìn)行關(guān)聯(lián)測(cè)量。

第一單光子探測(cè)器APD₁和第二單光子探測(cè)器APD₂與計(jì)算機(jī)2主板上的采集卡連接。

熱光源包括激光發(fā)生器1和數(shù)字微鏡面DMD，自激光發(fā)生器1發(fā)出的激光束照射數(shù)字微鏡面DMD產(chǎn)生空間相位隨機(jī)分布的非相干熱光束。

其中，數(shù)字微鏡面DMD與非偏振分束器BS之間的光路上設(shè)置有只讓一級(jí)光譜通過的第一光闌P₁。

數(shù)字微鏡面DMD與第一光闌P₁之間設(shè)置有第一雙凸透鏡L₁，第一光闌P₁設(shè)置在第一雙凸透鏡L₁的焦距上。

在非偏振分束器BS與第一光闌P₁之間設(shè)置有第二雙凸透鏡L₂。

第一單光子探測(cè)器APD₁包括通過單模光釬SMF連接的第一鏡頭Q₁，第一鏡頭Q₁設(shè)置在第一光路末端，用于接收第一光束11的信號(hào)；

第二單光子探測(cè)器APD₂包括通過單模光釬SMF連接的第二鏡頭Q₂，第二鏡頭Q₂設(shè)置在第二光路末端，用于接收第二光束12的信號(hào)。

第一光路上，第一鏡頭Q₁和第一空間光調(diào)制器SLM₁之間設(shè)置有第三雙凸透鏡L₃、以及只讓一級(jí)光譜通過的第二光闌P₂。

第二光路上，第二鏡頭Q₂和第二空間光調(diào)制器SLM₂之間設(shè)置有第四雙凸透鏡L₄、以及只讓一級(jí)光譜通過的第三光闌P₃。

第一空間光調(diào)制器SLM₁和第二空間光調(diào)制器SLM₂與計(jì)算機(jī)2連接，計(jì)算機(jī)2用于通過第一空間光調(diào)制器SLM₁向第一光束11加載待測(cè)物體T₁。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)明人使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)給SLM₁和SLM₂加載信息，然后用了另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)做關(guān)聯(lián)測(cè)量。

其中，DMD與分束器之間的兩個(gè)透鏡組成4f系統(tǒng)，SLM設(shè)置在雙凸透鏡的焦距位置。

計(jì)算機(jī)2用于通過第二空間光調(diào)制器SLM₂向第二光束12加載待測(cè)物體T₂。

待測(cè)物體T₁和待測(cè)物體T₂為角向的振幅型透射物體。

而待測(cè)物體T₁和待測(cè)物體T₂由計(jì)算機(jī)2程序模擬生成。

計(jì)算機(jī)通過第一單光子探測(cè)器APD₁和第二單光子探測(cè)器APD₂同步采集第一光束11和第二光束12的光信號(hào)的強(qiáng)度信息，將這些信息帶入如下公式進(jìn)行關(guān)聯(lián)測(cè)量，最終獲得角雙縫所對(duì)應(yīng)的軌道角動(dòng)量譜。

如圖2所示，待測(cè)非定域物體為S，T1和T2分別表示S的兩個(gè)部分。其中α＝π，β＝π/3，α代表角雙縫的雙縫間距，β代表角雙縫的縫寬。

本發(fā)明利用非相干熱光源，首次實(shí)現(xiàn)了利用軌道角動(dòng)量域的關(guān)聯(lián)特性的角雙縫干涉；降低了對(duì)光源相干性的要求，從而拓展了其應(yīng)用范圍，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物體的非定域探測(cè)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供了一種利用上述系統(tǒng)進(jìn)行的熱光非定域角雙縫干涉方法，熱光非定域角雙縫干涉方法包括如下步驟：

S1.非相干熱光束10均分為第一光束11和第二光束12；

S2.第一光束11和第二光束12分別通過第一光路和第二光路，其中，第一光路和第二光路對(duì)稱設(shè)置；

S3.通過向兩個(gè)光路中的空間光調(diào)制器SLM加載不同的叉型圖，給第一光路和第二光路上加載不同的軌道角動(dòng)量值；

S4.對(duì)第一光束11和第二光束12進(jìn)行軌道角動(dòng)量的關(guān)聯(lián)測(cè)量，利用熱光源的二階關(guān)聯(lián)特性，獲得角雙縫干涉圖譜。

步驟S4中，同步采集第一光束11和第二光束12的光信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)軌道角動(dòng)量的關(guān)聯(lián)測(cè)量。

其中，需要通過控制信號(hào)采集的時(shí)間窗口，以保持第一光路和第二光路的光子采集同步。

第一光束11和第二光束12進(jìn)行軌道角動(dòng)量的關(guān)聯(lián)測(cè)量時(shí)，需滿足如下公式：

其中，G⁽²⁾為代表軌道角動(dòng)量的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)；

l₁為第一光路中的軌道角動(dòng)量值；

l₂為第二光路中的軌道角動(dòng)量值；

I₁為第一光路中單光子探測(cè)器測(cè)量的光強(qiáng)值；

I₂為第二光路中單光子探測(cè)器測(cè)量的光強(qiáng)值；

為第一光路末端單光子探測(cè)器探測(cè)面的光場(chǎng)分布函數(shù)；

為第二光路末端單光子探測(cè)器探測(cè)面的光場(chǎng)分布函數(shù)；

ΔG為熱光軌道角動(dòng)量的漲落關(guān)聯(lián)函數(shù)。

圖3(a1)為第一光束11的軌道角動(dòng)量值l₁固定，掃描第二光束12軌道角動(dòng)量值l₂并將兩光路進(jìn)行關(guān)聯(lián)測(cè)量的情況下得到的軌道角動(dòng)量譜圖；

圖4(a2)為單獨(dú)掃描l₂所獲得的強(qiáng)度分布譜線圖。

對(duì)比圖3和圖4可以看出，通過單路掃描所獲得的強(qiáng)度分布無法獲得待測(cè)物體的信息，但是通過強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測(cè)量則可以獲得待測(cè)物體S(由T1和T2組合所構(gòu)成的角雙縫)的干涉譜線。

由于系統(tǒng)裝置中分束器后的兩個(gè)光路對(duì)稱，所以我們的測(cè)量也可以采用對(duì)稱的方式掃描。

圖5(b1)為軌道角動(dòng)量值l₂固定，掃描l₁并將兩光路進(jìn)行關(guān)聯(lián)測(cè)量所獲得的譜圖。

圖6(b2)為單獨(dú)掃描l₁所獲得的強(qiáng)度分布譜線。

圖5顯示通過軌道角動(dòng)量的關(guān)聯(lián)測(cè)量，獲得了待測(cè)物體T1和T2組合所構(gòu)成的角雙縫的S干涉譜線。圖6(b2)中單路掃描強(qiáng)度分布是無法獲得物體信息的。

為了與定域的角雙縫軌道角動(dòng)量關(guān)聯(lián)測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)比的方案。就是把一個(gè)定域的角雙縫(等效于T1和T2在空間組合所構(gòu)成的角雙縫)放在系統(tǒng)裝置圖中的一個(gè)光路里，另一個(gè)光路不放置任何待測(cè)物體，然后將l₂的軌道角動(dòng)量值固定在零點(diǎn)，掃描l₁。

如圖7(c1)所示。對(duì)比c1熱光關(guān)聯(lián)干涉圖譜與a1,b1，可以發(fā)現(xiàn)定域角雙縫關(guān)聯(lián)測(cè)量結(jié)果等效于非定域角雙縫關(guān)聯(lián)測(cè)量結(jié)果。盡管在非定域角雙縫關(guān)聯(lián)測(cè)量系統(tǒng)中，任何一個(gè)光路都不存在一個(gè)真正的角雙縫物體，但是我們通過利用熱光源軌道角動(dòng)量的二階關(guān)聯(lián)特性則可以獲得等效于定域角雙縫的譜信息。

如圖8(c2)為激光照射定域角雙縫S所獲得的干涉圖譜，利用相干光源激光對(duì)定域角雙縫直接照射所獲得的強(qiáng)度分布，從圖中可以看出利用相干光源，我們可以直接通過強(qiáng)度測(cè)量獲得角雙縫的干涉譜線，而不需要通過關(guān)聯(lián)測(cè)量。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。