渦旋光的干涉測(cè)量方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及自由空間通信與量子通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體涉及渦旋光的干涉測(cè)量方法 與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 1992年，荷蘭萊頓大學(xué)的Allen團(tuán)隊(duì)從理論上證明光子中含有確定的軌道角動(dòng)量 (Orbital Angular Momentum,0AM)/? c 一個(gè)光子0AM值為./A對(duì)應(yīng)螺旋形等相位面，螺旋相 位項(xiàng)為exp(il<i))，l為0ΑΜ拓?fù)浜桑?的正負(fù)符號(hào)代表旋轉(zhuǎn)方向不同，Φ為極坐標(biāo)系中的極 角。具有0ΑΜ的渦旋光在量子信息處理、原子操縱、微操作和生命科學(xué)以及遠(yuǎn)程傳感等領(lǐng)域 具有潛在的應(yīng)用。因此，對(duì)渦旋光的拓?fù)浜蛇M(jìn)行精確測(cè)量具有非常重要的意義。
[0003] 對(duì)渦旋光拓?fù)浜傻臏y(cè)量包括對(duì)其階數(shù)和符號(hào)的測(cè)量。攜帶有渦旋相位板的方形環(huán) 路裝置可以對(duì)渦旋光的拓?fù)浜蛇M(jìn)行調(diào)制。如果渦旋光經(jīng)過(guò)奇數(shù)次反射后，渦旋光拓?fù)浜傻?符號(hào)將會(huì)改變。最近幾年，為了簡(jiǎn)單起見，一般利用衍射方法對(duì)渦旋光的拓?fù)浜蛇M(jìn)行測(cè)量。 2009年，渦旋光經(jīng)過(guò)環(huán)形孔的衍射，通過(guò)對(duì)衍射強(qiáng)度圖的分析可以測(cè)量渦旋光的最大整數(shù) 拓?fù)浜呻A數(shù)為9。2013年，渦旋光經(jīng)過(guò)傾斜凸透鏡的衍射，分析衍射強(qiáng)度圖可以獲得渦旋光 的最大整數(shù)拓?fù)浜呻A數(shù)為14。2015年，通過(guò)分析渦旋光和其共輒光的干涉圖，人們測(cè)量渦旋 光的最大整數(shù)拓?fù)浜呻A數(shù)可以達(dá)到60。最近，通過(guò)一個(gè)修正的Μ-Ζ干涉儀，渦旋光的最大可 測(cè)量整數(shù)拓?fù)浜呻A數(shù)達(dá)到了 90。然而，這些測(cè)量方法只能獲得拓?fù)浜傻碾A數(shù)，拓?fù)浜傻姆?hào) 沒(méi)有辦法測(cè)量，再有由于系統(tǒng)包括像達(dá)夫棱鏡這樣的器件，從而系統(tǒng)存在器件引入的干涉 而且有些復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于為了解決以上的不足，提供了渦旋光的干涉測(cè)量方法與系統(tǒng)， 該系統(tǒng)可測(cè)量渦旋光整數(shù)和半整數(shù)拓?fù)浜傻碾A數(shù)和符號(hào)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且沒(méi)有器件引入 干涉的影響。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：渦旋光的干涉測(cè)量系統(tǒng)，包括渦旋光產(chǎn)生單元、 控制單元、渦旋光調(diào)制單元、共輒渦旋光干涉單元和圖像采集單元，其中：
[0006] 所述渦旋光產(chǎn)生單元用于產(chǎn)生渦旋光束，其包括栗浦光源LD、光束擴(kuò)展器ΒΕ、電腦 控制的空間光調(diào)制器SLM和第一全反射鏡Ml;
[0007] 所述控制單元用于改變渦旋光的傳播光路，當(dāng)控制信號(hào)置位時(shí)，渦旋光束被反射 傳輸;當(dāng)控制信號(hào)復(fù)位時(shí)，渦旋光束被透射傳輸；
[0008] 所述渦旋光調(diào)制單元用于對(duì)渦旋光束的拓?fù)浜蛇M(jìn)行調(diào)制，其包括第二全反射鏡 M2、第三全反射鏡M3、第四全反射鏡M4、第一透鏡L1、第二透鏡L2和渦旋相位板VPP;
[0009] 所述共輒渦旋光干涉單元用于將一束渦旋光分成兩束渦旋光，并將其中一束渦旋 光轉(zhuǎn)化為另一束的共輒渦旋光，然后對(duì)兩束光進(jìn)行干涉，其包括第一分束器BS1、第二分束 器BS2、第五全反射鏡M5、第六全反射鏡M6、第七全反射鏡M7、第八全反射鏡M8和第九全反射 鏡M9;
[0010] 所述圖像采集單元用于對(duì)兩束共輒渦旋光的干涉強(qiáng)度圖進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)干涉強(qiáng) 度圖進(jìn)行分析，并對(duì)電腦控制的電荷耦合裝置CCD兩次采集的干涉強(qiáng)度圖進(jìn)行對(duì)比，從而可 以獲得渦旋光的整數(shù)和半整數(shù)拓?fù)浜?，其中拓?fù)浜砂A數(shù)和符號(hào)（拓?fù)浜杀硎纠@光束閉 合環(huán)路一周線積分為2π整數(shù)倍的個(gè)數(shù)），其包括第三透鏡L3和電腦控制的電荷耦合裝置 CCD;
[0011] 所述栗浦光源LD產(chǎn)生激光脈沖，激光脈沖經(jīng)光束擴(kuò)展器BE聚焦和擴(kuò)束后照射到所 述電腦控制的空間光調(diào)制器SLM上并產(chǎn)生渦旋光，所述渦旋光經(jīng)第一全反射鏡Ml改變傳播 方向后進(jìn)入到所述控制單元；
[0012] 當(dāng)所述控制單元的控制信號(hào)置位時(shí)，渦旋光經(jīng)第一全反射鏡Ml和控制單元反射后 進(jìn)入共輒渦旋光干涉單元的第一分束器BS1，所述第一分束器BS1將渦旋光分成兩束，其中 一束渦旋光依次經(jīng)過(guò)第一分束器BS1、第七全反射鏡M7、第八全反射鏡M8和第九全反射鏡M9 的反射后到達(dá)第二分束器BS2;另一束渦旋光依次經(jīng)過(guò)第五全反射鏡M5、第六全反射鏡M6和 第二分束器BS2反射后符號(hào)變?yōu)橄喾?，跟上一束渦旋光同時(shí)到達(dá)第二分束器BS2,并在此處 發(fā)生干涉，所述干涉光進(jìn)入圖像采集單元，在所述圖像采集單元中根據(jù)干涉強(qiáng)度圖產(chǎn)生的 花瓣(干涉光的干涉強(qiáng)度圖由多個(gè)類似花瓣形狀構(gòu)成）的計(jì)數(shù)獲得渦旋光的整數(shù)和半整數(shù) 拓?fù)浜傻碾A數(shù)；
[0013] 當(dāng)控制單元的控制信號(hào)復(fù)位時(shí)，透射過(guò)控制單元的渦旋光束經(jīng)第二全反射鏡M2與 第三全反射鏡M3反射后進(jìn)入到所述渦旋光調(diào)制單元的第一透鏡L1，經(jīng)過(guò)第一透鏡L1對(duì)渦旋 光尺寸進(jìn)行控制后的渦旋光再經(jīng)過(guò)第四全反射鏡M4改變光路，改變光路的渦旋光經(jīng)過(guò)渦旋 相位板VPP，其拓?fù)浜稍黾?階，然后經(jīng)第二透鏡L2對(duì)渦旋光尺寸進(jìn)行控制，最后又經(jīng)控制單 元透射進(jìn)入共輒渦旋光干涉單元，然后光路重復(fù)上述進(jìn)入共輒渦旋光干涉單元的光路路 線。
[0014] 優(yōu)選地，所述控制單元由光柵晶體開關(guān)GCXD構(gòu)成。
[0015] 優(yōu)選地，所述渦旋相位板VPP是一塊折射率固定的透明相位板。
[0016] 優(yōu)選地，所述透明相位板一側(cè)表面為平面，另一側(cè)表面為螺旋相位面，其厚度與角 向方位角成正比。
[0017] 優(yōu)選地，所述第一分束器BS1用于將一束渦旋光分成兩束，其分束比為50:50。
[0018]優(yōu)選地，所述第二分束器BS2用于將兩束共輒渦旋光干涉并合成一束，其分束比為 50：50〇
[0019] 優(yōu)選地，從共輒渦旋光干涉單元中第二分束器BS2出來(lái)的干涉光束經(jīng)第三透鏡L3 進(jìn)入圖像采集單元后，所述干涉光束經(jīng)過(guò)所述第三透鏡L3對(duì)渦旋光尺寸進(jìn)行控制后進(jìn)入電 腦控制的電荷耦合裝置CCD，所述電腦控制的電荷耦合裝置CCD對(duì)干涉光的干涉強(qiáng)度圖進(jìn)行 采集，對(duì)干涉強(qiáng)度圖進(jìn)行分析，干涉強(qiáng)度圖的花瓣數(shù)的一半即為渦旋光的拓?fù)浜?，從而根?jù) 花瓣的計(jì)數(shù)獲得渦旋光的整數(shù)和半整數(shù)拓?fù)浜傻碾A數(shù)。
[0020] 優(yōu)選地，通過(guò)對(duì)電腦控制的電荷耦合裝置CCD兩次采集的干涉強(qiáng)度圖進(jìn)行對(duì)比，若 干涉強(qiáng)度圖的花瓣數(shù)增加2個(gè)，則渦旋光的拓?fù)浜煞?hào)為正，否則為負(fù)。
[0021] -種渦旋光的干涉測(cè)量方法，上述的渦旋光的干涉測(cè)量系統(tǒng)，本方法包括以下步 驟：
[0022] S1.渦旋光的產(chǎn)生:所述栗浦光源LD產(chǎn)生激光脈沖，激光脈沖經(jīng)光束擴(kuò)展器BE的聚 焦和擴(kuò)束后照射電腦控制的空間光調(diào)制器SLM，通過(guò)電腦控制的空間光調(diào)制器SLM可產(chǎn)生渦 旋光，其經(jīng)過(guò)第一全反射鏡Ml改變光路后進(jìn)入控制單元；
[0023] S2.渦旋光光路的改變:控制單元的控制信號(hào)置位時(shí)，渦旋光束在控制單元的光柵 晶體開關(guān)GCCD處反射進(jìn)入共輒渦旋光干涉單元;控制信號(hào)復(fù)位時(shí)，渦旋光束在控制單元的 光柵晶體開關(guān)GCCD處透射進(jìn)入渦旋光調(diào)制單元；
[0024] S3.渦旋光的調(diào)制:控制單元的控制信號(hào)復(fù)位時(shí)，渦旋光束進(jìn)入攜帶有渦旋相位板 VPP的方形環(huán)路裝置，經(jīng)過(guò)一次渦旋相位板VPP后，渦旋光的拓?fù)浜蓪⒃黾?階，然后經(jīng)光柵 晶體開關(guān)GCCD透射進(jìn)入共輒渦旋光干涉單元；
[0025] S4.渦旋光的干涉:光柵晶體開關(guān)GCXD出來(lái)的渦旋光束經(jīng)第一分束器BS1后分成兩 束，其中一束經(jīng)光路中全反射鏡的奇數(shù)次反射后轉(zhuǎn)化為另一束的共輒渦旋光，并且兩束共 輒渦旋光在第二分束器BS2處發(fā)生干涉，干涉光經(jīng)第三透鏡L3進(jìn)入圖像采集單元；
[0026] S5.圖像的采集:共輒渦旋光干涉單元出來(lái)的干涉光經(jīng)第三透鏡L3控制光渦環(huán)的 尺寸后進(jìn)入電腦控制的電荷耦合裝置CCD，其對(duì)干涉光的強(qiáng)度分布圖進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)干涉 強(qiáng)度圖進(jìn)行分析，并對(duì)電腦控制的電荷耦合裝置CCD兩次采集的干涉強(qiáng)度圖進(jìn)行對(duì)比，從而 可以獲得渦旋光的整數(shù)和半整數(shù)拓?fù)浜桑渲型負(fù)浜砂A數(shù)和符號(hào)。
[0027] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的干涉測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)量渦旋光的整數(shù)和半整數(shù)拓?fù)?荷;采用簡(jiǎn)單的全反射鏡保證了 M-Z干涉儀的精確等臂特性;采用簡(jiǎn)單全反射鏡的奇數(shù)次反 射將一束渦旋光轉(zhuǎn)化為其共輒渦旋光，從而沒(méi)有器件引入干涉的影響;整體設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，使用操作方便，既可以測(cè)量拓?fù)浜傻碾A數(shù)，又可以獲得拓?fù)浜傻姆?hào)。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為本發(fā)明的一種渦旋光的干涉測(cè)量系統(tǒng)的框架示意圖。
[0029] 圖2為本發(fā)明的一種渦旋光的干涉測(cè)量方法的流程示意圖。
[0030] 圖3為本發(fā)明的一種渦旋光的干涉測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果(干涉強(qiáng)度圖中花瓣計(jì)數(shù) 為4)〇
[0031] 圖4為本發(fā)明的一種渦旋光的干涉測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果(干涉強(qiáng)度圖中花瓣計(jì)數(shù) 為6)。
[0032]圖5