一種基于光子軌道角動量的高精度波長計(jì)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于光子軌道角動量的高精度波長計(jì)，通過該波長計(jì)的特殊光路結(jié)構(gòu)可以將偏振和軌道角動量糾纏的量子態(tài)分開，從而實(shí)現(xiàn)攜帶兩個極性相反的軌道角動量光子自我干涉，得到對波長很敏感的干涉花瓣圖像，再對干涉花瓣圖像的變化量進(jìn)行分析，從而確定波長的變化量。上述方案魯棒性強(qiáng)，容易集成，而且成本非常的低，同時，測量精度與分辨率也較高。
【專利說明】
一種基于光子軌道角動量的高精度波長計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及光量子信息技術(shù)、光物理技術(shù)領(lǐng)域和計(jì)量測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉 及一種基于光子軌道角動量的高精度波長計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，波長計(jì)大多數(shù)通過經(jīng)典光學(xué)的干涉或者衍射的原理制作的，比如德國 highfinesse公司生產(chǎn)的highfinesse波長計(jì)，是目前全球范圍內(nèi)精度最高的波長計(jì)，大陸 包括清華大學(xué)等高校在內(nèi)的多個科研院所均采用這種波長計(jì)。其 WS6型號測量的分辨率達(dá) 到50Mhz，絕對精度200Mhz，光學(xué)分辨率(FWHM)接近4000。
[0003] 另一種比較普遍的是SHR-激光波長計(jì)，利用反射梯光柵將測量的光譜擴(kuò)展到整個 波段，整個波長范圍是190-1100nm，其近紅外波長計(jì)SHR-IR波長分辨率在0.02nm，儀器分辨 率(FWHM)接近4000。
[0004] 然而，上述波長計(jì)大多采用動態(tài)干涉儀和頻譜分析的方法。典型的有邁克爾遜干 涉儀、索菲干涉儀等，動態(tài)變化的干涉臂容易受外界影響（如電壓等），且容易引進(jìn)振動噪 聲，快速傅里葉變換會丟失測量的精度，從而導(dǎo)致分辨率的下降，而科學(xué)研究或者技術(shù)加工 往往需要一個波長范圍窄，精度高的波長計(jì)。
[0005] 鑒于此，有必要研究一種可適用于科學(xué)研究或者工廠加工的波長相對較窄、精度 相對高且成本較低的波長計(jì)。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型的目的是提供一種基于光子軌道角動量的高精度波長計(jì)，其測量精度 與分辨率較高，且成本較低。
[0007] 本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 一種基于光子軌道角動量的高精度波長計(jì)，包括:激光器、兩個半波片HWP、三個偏 振分束器PBS、四個全反鏡、兩個聚焦透鏡、四分之一波片QWP、渦旋光場產(chǎn)生片VPP、設(shè)置在 溫控系統(tǒng)內(nèi)的非線性光學(xué)晶體KTP、CDD及圖像分析器;其中：
[0009] 所述兩個半波片HWP分別記為HWP1與HWP2,三個偏振分束器PBS分別記為PBS1、 PBS2與PBS3,四個全反鏡分別記為R1、R2、R3與R4,兩個聚焦透鏡分別記為L1與L2;
[0010] 所述激光器出射的相干光依次經(jīng)過HWP、QWP、PBS1后射入全反鏡R1中；
[0011] 所述全反鏡R1將光束反射至PBS2后，一部分光經(jīng)過PBS2透射后依次經(jīng)過全反鏡 R4、VPP、全反鏡R3與全反鏡R2后回到TOS2中，再透射至聚焦透鏡L1;另一部分光經(jīng)過PBS2反 射后依次經(jīng)過全反鏡R2、全反鏡R3、VPP與全反鏡R4后回到PBS2中，再反射至聚焦透鏡L1; [0012] 聚焦透鏡L1聚焦后的光束再依次通過KTP、聚焦透鏡L2、HWP2與TOS3后射入(XD，該 C⑶的輸出端還連有圖像分析器。
[0013] 進(jìn)一步的，所述PBS1與PBS3上還分別設(shè)有吸光器件。
[0014] 由上述本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案可以看出，通過該波長計(jì)的特殊光路結(jié)構(gòu)可以 將偏振和軌道角動量糾纏的量子態(tài)分開，從而實(shí)現(xiàn)攜帶兩個極性相反的軌道角動量光子自 我干涉，得到對波長很敏感的干涉花瓣圖像，再對干涉花瓣圖像的變化量進(jìn)行分析，從而確 定波長的變化量。上述方案魯棒性強(qiáng)，容易集成，而且成本非常的低，同時，測量精度與分辨 率也較高。
【附圖說明】
[0015] 為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要 使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施 例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖 獲得其他附圖。
[0016] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種基于光子軌道角動量的高精度波長計(jì)的光路 結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的花瓣重心點(diǎn)與邊緣點(diǎn)的分布情況示意圖；
[0018] 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的圖像重心旋轉(zhuǎn)的示意圖
[0019] 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的實(shí)際測量波長與理論波長的關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清 楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí) 施例?；诒緦?shí)用新型的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲 得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0021] 本實(shí)用新型提出了一種基于光子軌道角動量(0AM)的高精度波長計(jì)，其具有精度 高，測量范圍大、系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)等優(yōu)勢，相比同類產(chǎn)品，其設(shè)備簡單，成本低，易操作，易集 成，在科學(xué)研究和高精密儀器研制方面具有很大的潛力。
[0022]本實(shí)用新型是基于光子軌道角動量的獨(dú)特性質(zhì)。光子通過Sagnac(薩格納克)干涉 儀后會產(chǎn)生自旋角動量和軌道角動量糾纏的光子3
，其中|H >、|V>分別代表水平偏振和垂直偏振的光子態(tài)；|+1>與|-1>表示兩個極性相反的軌道角動 量，軌道角動量值為1;根據(jù)態(tài)的疊加原理，I#為偏振和軌道角動量糾纏的糾纏態(tài);e1(a)代表 兩個分立態(tài)之間的相位差。實(shí)驗(yàn)中光子態(tài)經(jīng)過KTP晶體產(chǎn)生相位延遲e lP，其中
? 4為無量綱的比例因子，代表相位差，與KTP晶體的有效長度L，A n(A，T) 有直接的關(guān)系。A n(A，T)為水平偏振光和垂直偏振光經(jīng)過晶體后產(chǎn)生的折射率差，這個折 射率差和光子的波長A、環(huán)境溫度T有關(guān)，一般情況下L保持不變，則KTP晶體的溫度T和入射 光的波長A將影響0的變化，而0的變化將影響著光子態(tài)|供> 的變化，最終影響光路中干涉圖 像的變化。理論和實(shí)驗(yàn)均表明，0每變化2JI，對應(yīng)干涉圖像的花瓣將改變|弧度，故波長的 變化將導(dǎo)致圖像的變化，反之，通過圖像的變化也就可以推得波長的變化。
[0023] 光子既是經(jīng)典信息也是量子信息的理想載體，單個光子不僅可以攜帶自旋角動量 (與光波的圓偏振相關(guān)），還可以攜帶軌道角動量(與光波的螺旋相位相關(guān)）。攜帶軌道角動 量的光子由于具有無限維的Hilbert空間，從而在光學(xué)通信和傳感方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu) 勢。
[0024] 攜帶不同1值的光束的空間軌跡，以及干涉圖像均存在區(qū)別，而前文所提到的光子 態(tài)是一個偏振（即自旋角動量)和軌道角動量糾纏的糾纏態(tài)，無法直接進(jìn)行干涉，必須創(chuàng)造 出兩個極性相反的軌道角動量進(jìn)行自我干涉。
[0025] 下文中將結(jié)合附圖1來介紹基于光子軌道角動量的高精度波長計(jì)的光路結(jié)構(gòu)。如 圖1所示，其主要包括：
[0026]兩個半波片HWP、三個偏振分束器PBS、四個全反鏡、兩個聚焦透鏡、四分之一波片 QWP、渦旋光場產(chǎn)生片VPP、設(shè)置在溫控系統(tǒng)內(nèi)的非線性光學(xué)晶體KTP、⑶D (圖像傳感器)及圖 像分析器；以上器件的工作波長均在780nm附近。實(shí)驗(yàn)中晶體的溫度用實(shí)驗(yàn)室自制的溫控系 統(tǒng)，溫控誤差2mk。
[0027]其中：
[0028] 所述兩個半波片HWP分別記為HWP1與HWP2,三個偏振分束器PBS分別記為PBS1、 PBS2與PBS3,四個全反鏡分別記為R1、R2、R3與R4,兩個聚焦透鏡分別記為L1與L2;
[0029] 所述激光器出射的相干光依次經(jīng)過HWP、QWP、PBS1后射入全反鏡R1中；
[0030] 所述全反鏡R1將光束反射至PBS2后，一部分光經(jīng)過PBS2透射后依次經(jīng)過全反鏡 R4、VPP、全反鏡R3與全反鏡R2后回到TOS2中，再透射至聚焦透鏡L1;另一部分光經(jīng)過PBS2反 射后依次經(jīng)過全反鏡R2、全反鏡R3、VPP與全反鏡R4后回到PBS2中，再反射至聚焦透鏡L1; [0031] 聚焦透鏡L1聚焦后的光束再依次通過KTP、聚焦透鏡L2、HWP2與TOS3后在CCD中成 像，所述圖像分析器從CCD中獲取波長變動前后的兩幅圖像，并根據(jù)兩幅圖像的變化量計(jì)算 波長變化。
[0032]如前文所述相位因子0，與KTP晶體的有效長度L、光子的波長A、環(huán)境溫度T有關(guān);其 中的KTP晶體的有效長度L通常不變，則光子的波長A與環(huán)境溫度T為變量;本實(shí)用新型實(shí)施 例中，將KTP晶體置于溫控系統(tǒng)中，使得環(huán)境溫度T恒定，從而使得相位因子0的變化僅與光 子的波長X有關(guān)。
[0033] 本實(shí)用新型實(shí)施例中，PBS1與TOS3上還分別設(shè)有吸光器件，用于吸收roSl反射的 光束，以及PBS3透射的光束，以避免這些光束漫反射回光路。
[0034]以上為本實(shí)施例所提供的基于光子軌道角動量的高精度波長計(jì)的主要結(jié)構(gòu)，下面 針對其工作原理進(jìn)行介紹。
[0035]本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述激光器出射的相干光依次經(jīng)過HWP與QWP后聚焦在 Sagnac干涉環(huán)的PBS1前，光束的電場g I#表示為：
[0036] Ei](f))-^~En\ll) + ^El |K)； (1)
[0037] 其中，馬j為水平偏振光| H>的態(tài)系數(shù)，為一個電場強(qiáng)度量，其平方代表的光子數(shù)量， 是光強(qiáng)強(qiáng)度量；；爲(wèi)為垂直偏振光I V〉的態(tài)系數(shù)，為一個電場強(qiáng)度量，其平方代表的光子數(shù) 量，是光強(qiáng)強(qiáng)度量；由于實(shí)驗(yàn)條件和器件的原因，所述I與&并非嚴(yán)格相等;e%為水平偏振 光子態(tài)和垂直偏振光子態(tài)之間的相位差，i為虛數(shù)，巾p為相位差因子，0P的數(shù)值影響光子的 偏振態(tài)，一個周期中（〇-2jt)，<J)P = 0°時，光束為45°線偏振光;么時，光為圓偏振光;其余 情況下為橢圓偏振光。
[0038] 本實(shí)用新型實(shí)施例中，光束經(jīng)TOS2透射直至再次返回PBS2的路徑方向?yàn)槟鏁r針方 向，光束經(jīng)TOS2反射直至再次返回PBS2的路徑方向?yàn)轫槙r針方向；在逆時針方向時，PSB2到 VPP的幾何光程記為La;在順時針方向時，PSB2到VPP的幾何光程記為Lb;順時針方向和逆時 針方向兩個路徑因散射造成的光子丟失后剩余的光子數(shù)比例分別記為n 2和C，嚴(yán)格來講兩 者是不相等的。
[0039] 光束經(jīng)過PBS2順時針方向與逆時針方向行徑并返回至PBS2后，相位變?yōu)槿缦拢?[0040]對于水平偏振光| H>，光子態(tài)相位的變化情況為：
[0041 ] |~〉=斤綱叫/7%|//〉|+/〉； (：2)
[0042] 對于垂直偏振光| V〉，光子態(tài)相位的變化情況為：
[0043] \<pl) = eiKL,+iK"k,)LBJr*l')C 1El |K)|-/); (3>
[0044]按照量子力學(xué)態(tài)的疊加原理，則有：
[0045] k) = |^;/)+i^, > = j//)| +/)+u)fi\r>|-：/}; (4)
[0046]其中，卜1>與|_1>表示兩個極性相反的軌道角動量，軌道角動量值為l;a = kvLA+ (kv+ki) LB_khLB_( kh+ki) La+ 4* p
kindex( index - h、 v、l)分別對應(yīng)的表不水平、垂直、軌道角動量三種不同光子的傳播波矢量Aindex(index = h、 v、l)分別對應(yīng)的表示水平、垂直、軌道角動量三種不同光子，no為空氣中的折射率；當(dāng)PBS2 所屬的Sagnac干涉儀固定后，a僅由巾p決憑
_為水平光I H>與垂直光| V〉的光強(qiáng)相 對比例，當(dāng)La=Lb，得到a=(i)P，這樣不同波長也就不會對測量產(chǎn)生負(fù)面影響，即圖像變換僅 僅與通過晶體的0變化有關(guān)，這大大增加了系統(tǒng)的魯棒性和準(zhǔn)確性。
[0047]本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述聚焦透鏡L1聚焦后的光束再依次通過KTP、聚焦透鏡 L2、HWP2與PBS3后在(XD中成像，上述過程光子態(tài)的變化情況如下：
[0048]聚焦透鏡L1聚焦后的光束進(jìn)入KTP后水平偏振光與垂直偏振光因雙折射會產(chǎn)生相 位差0，則疊加的光子態(tài)變?yōu)椋?br>[0050] 再通過聚焦透鏡L2射入HWP2后，疊加的光子態(tài)重新分布為：
[0052]最終，經(jīng)過TOS3將光束的水平或者垂直偏振分開，水平或垂直光路方向?qū)l(fā)生軌 道角動量光的干涉，從而實(shí)現(xiàn)光子的軌道角動量自我干涉，并在CCD中成像，最終的光子態(tài) 為：
[0054] 從上述式（7)可以看出，通過圖1所示的光路將偏振和軌道角動量糾纏的態(tài)分開， 從而實(shí)現(xiàn)了兩個光子的軌道角動量自我干涉，并在CCD中形成干涉圖像;所述的干涉圖像中 的花瓣會隨著波長的變化而變化，通過檢測花瓣變化情況，可以實(shí)現(xiàn)波長變化量的測量。
[0055] 當(dāng)波長固定時，產(chǎn)生的干涉花瓣圖像，是靜止不動的，當(dāng)波長發(fā)生一個微小的變化 時(調(diào)諧了），干涉花瓣圖像會發(fā)生一個小角度轉(zhuǎn)動，因?yàn)楣獾乃俣仁?.0*10 8m/s，所以只要 波長發(fā)生變化圖像會迅速發(fā)生轉(zhuǎn)變，通過這種轉(zhuǎn)變可以反映用戶調(diào)諧的波長量。
[0056] 本實(shí)用新型實(shí)施例中，由圖像分析器從CCD中波長變動前后的兩幅圖像，并根據(jù)兩 幅圖像的變化量計(jì)算波長變化：
[0057] 通過分析波長變動前后的兩幅圖像中的花瓣變化情況，再根據(jù)確定的花瓣變化情 況來確定波長的變化量。這一過程可以通過常規(guī)方案來實(shí)現(xiàn)，下文中以矢量點(diǎn)乘方法或者 光強(qiáng)互相關(guān)方法為例進(jìn)行介紹。
[0058] 1、矢量點(diǎn)乘方法的步驟如下：
[0059] 1)對于兩幅圖像均進(jìn)行二值化與洞處理，再進(jìn)行邊緣檢測與重心識別，獲得每一 花瓣的重心與邊緣的坐標(biāo)數(shù)列。
[0060] 原始的圖像Bmp格式的圖像，圖像幾個花瓣的面積不一樣，且因?yàn)镃CD的表面存在 污點(diǎn)，致使出現(xiàn)了細(xì)微的干涉條紋，這將大大的影響了光強(qiáng)矩陣的分布。
[0061] 對其二值化并進(jìn)行洞處理，取一定的閾值實(shí)現(xiàn)二值化，然后將因 CCD雜質(zhì)等造成的 中心暗點(diǎn)填充。
[0062] 之后，對上述對初步處理之后的圖像進(jìn)行邊緣檢測和重心識別，得到重心以及邊 緣的坐標(biāo)數(shù)列。
[0063] 2)將重心與邊緣進(jìn)行分離，獲得每一花瓣重心坐標(biāo)。
[0064] 通過相關(guān)的算法對重心與邊緣進(jìn)行分離，通過圖2可以發(fā)現(xiàn)花瓣重心點(diǎn)與邊緣點(diǎn) 的分布情況，計(jì)算x坐標(biāo)數(shù)值導(dǎo)數(shù)：
，將階躍點(diǎn)取出，也就是重心點(diǎn)。
[0065] 3)根據(jù)花瓣重心坐標(biāo)來計(jì)算兩幅圖像中對應(yīng)花瓣重心的旋轉(zhuǎn)角度，從而確定花瓣 變化情況。
[0066] 得到重心坐標(biāo)后，就可以計(jì)算兩幅圖之間的夾角，其基本思路是利用兩幅圖中圓 心矢量的點(diǎn)乘。設(shè)時間點(diǎn)相鄰的兩幅圖像的重心坐標(biāo)分別為： xi^i Xt , V,. ^1+15 ^/Vl X- , , J
[0067] 1 ? \ XH 2 5 3；,'+2 -^,12
[x;+3',r/+3'
[0068] 如圖3所示，為兩幅圖像(分別用實(shí)線與虛線表示)重心旋轉(zhuǎn)的示意圖。
[0069]通過下式可獲得重心的旋轉(zhuǎn)角度：
[0071] 其中，？,、弓是CCD接收圖像后建立的坐標(biāo)系；9i與02表示兩幅圖像中四個花瓣中 的相鄰兩個花瓣旋轉(zhuǎn)角度，這樣做可以減少誤差。
[0072] 2、光強(qiáng)互相關(guān)方法。
[0073]光強(qiáng)互相關(guān)方法是通過選取兩幅圖像中與花瓣相關(guān)的一定區(qū)域來進(jìn)行強(qiáng)度相關(guān) 性的計(jì)算，計(jì)算出的相關(guān)性數(shù)值即為花瓣變化情況。
[0074]強(qiáng)度的相關(guān)函數(shù)定義為：
[0076] 上式中f(x，y)和g(x，y)分別代表選定區(qū)域的強(qiáng)度矩陣。C是計(jì)算后的相關(guān)矩陣。
[0077] 該方案為常規(guī)方法，旋轉(zhuǎn)圓心的選取對相關(guān)系數(shù)有較大的影響，為了尋找兩幅圖 的旋轉(zhuǎn)中心，需要采取一個區(qū)域進(jìn)行搜尋，這樣做的優(yōu)勢是非常精確的找到了旋轉(zhuǎn)中心。
[0078] 另一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例中，還需要在使用前進(jìn)行標(biāo)定，再以此對測量到的數(shù) 值進(jìn)行修正，并最終呈現(xiàn)在顯示界面上。具體如下：
[0079] 1)通過實(shí)驗(yàn)對波長計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，獲得實(shí)驗(yàn)值與理論值的比例。
[0080]標(biāo)定是得到測量區(qū)域內(nèi)實(shí)驗(yàn)的斜率值I，這個數(shù)值和理論數(shù)值I'有個差距，這個差 距會造成波長的測量值偏小或者偏大，所以需要先得到這兩數(shù)值的比例
這個比例 和算法的選取以及波長的工作頻帶有關(guān)系，不同的算法顯示這個精度在〇.〇1°。
[0081] 2)再利用實(shí)驗(yàn)值與理論值的比例對獲得的波長的變化量進(jìn)行修正，獲得最終的波 長的變化量。
[0082] 3)最后，通過計(jì)算機(jī)后續(xù)算法處理，將最終的波長的變化量呈現(xiàn)在顯示界面上。
[0083] 本實(shí)用新型實(shí)施例中，可以將獲得的波長的變化量乘以或者才除以
來進(jìn)行 修正。
[0084] 另外，還基于本實(shí)用新型上述實(shí)施例的方案進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。具體如下：
[0085] 通過前述方案，可以知道波長是更容易改變相位因子0的，0隨著折射率之差變換， 其中A為入射光的波長，T為晶體的溫度，k為壓強(qiáng)光學(xué)系數(shù)。
[0087]保持溫度和壓強(qiáng)光學(xué)系數(shù)不變，對相位差0取波長的全微分：
[0089]其中么11 = 112(\，1'，1〇-1^(、1'，1〇為〇?晶體的折射率之差，112、％為101 3晶體的2,7 主軸折射率，不通過的光子經(jīng)過的折射率不一樣。當(dāng)通過晶體光的波長發(fā)生變化時，將導(dǎo)致 花瓣的旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度為：
[0091 ]下面介紹在此情況下的角度的理論變化。
[0092]對于KTP晶體，在溫度為25°時，波長以Mi為單位時，ny的理論值為：
[0094]其中各個系數(shù)的值如下所示： 4 =2.09930 A, = 0.922683
[0095] 1 ' A. - 0.0467695 ,4,-0.0138408
[0096] 同樣對于n7.有：
[0098]相關(guān)的系數(shù)為： =2.12725 Z?;, -1.18431
[0099]]盡=5.14852x10 2 ; B4 = 0.6603 B, =：9.68〇56xl〇 ;
[0100] 實(shí)驗(yàn)中選取的波段在794 ? 619nm-795 ? 619nm(間隔0 ? 05nm)，這種波段下的波長每 變化0 ? 05個nm，其理論結(jié)果約為7 ? 3度。
[0101]在圖像分析階段，采用前文所述的矢量點(diǎn)乘方法與光強(qiáng)互相關(guān)方法，其結(jié)果如表1 所示：
[0102]
[0103] 表1矢量點(diǎn)乘方法與光強(qiáng)互相關(guān)方法的處理結(jié)果
[0104] 用線性擬合函數(shù)進(jìn)行擬合，得到擬合方程，具體為：
[0105] Linear model Poly:
[0106] f(x) =pl*x+p2
[0107] Coefficients(with 95 % confidence bounds):
[0108] 理論值：
[0109] pl=7.537(7.535,7.538)
[0110] p2 = 0.05137(0.0326,0.07014)
[0111] Goodness of fit:擬合系數(shù)情況
[0112] SSE:0.00666
[0113] R-square:1
[0114] Adjusted R-square:1
[0115] RMSE:0.01924
[0116] 實(shí)驗(yàn)值：
[0117] 光強(qiáng)互相關(guān)方法：
[0118] pl=7.331(7.241,7.421)
[0119] p2 = 0.4796(-0.5992,1.558)
[0120] Goodness of fit:
[0121] SSE:22
[0122] R-square:0.9994
[0123] Adjusted R-square:0.9994
[0124] RMSE: 1.105 [0125]矢量點(diǎn)乘方法：
[0126] pl=7.374(7.292,7.457)
[0127] p2 = 0.6104(-0.3783,1.599)
[0128] Goodness of fit:
[0129] SSE:18.48
[0130] R-square:0.9995
[0131] Adjusted R-square:0.9995
[0132] RMSE:1.013
[0133] 其中，pi代表擬合后曲線的斜率，P2代表擬合后方程與Y軸的交點(diǎn)坐標(biāo)。
[0134] 擬合系數(shù)中：Goodness of fit為適合度;SSE為擬合誤差，這個數(shù)值越小代表模型 越好;RMSE root mean square error為均方根誤差;R square稱為方程的確定系數(shù)，0~1 之間，越接近1，表明方程的變量對y的解釋能力越強(qiáng);Adjusted R-square統(tǒng)計(jì)學(xué)中使用的 術(shù)語，跟R-Square類似，越接近1數(shù)據(jù)預(yù)測越好;RMSE是方均根誤差，多用于統(tǒng)計(jì)學(xué)中，這個 數(shù)越小越好。
[0135] 同時，實(shí)際測量波長與理論波長的關(guān)系如圖4所示。
[0136] 通過以上測試實(shí)驗(yàn)可知，矢量點(diǎn)乘方法的數(shù)據(jù)表現(xiàn)得更加集中，其均方根誤差更趨向于 1。采用A A=7.374degree/0.05歷。這個數(shù)值標(biāo)定后，采用我們的算法，圖像檢測算法的絕對精度 可以到0 ? 01度，即 A A=7 ? 374degree/0 ? 05nm=0 ? 073degree/0 ? 5pm，數(shù)量級上，波長每變化0 ? 1 pm， 角度變化量級為0.01度，根據(jù):心銷：-f仏-'喔… 這樣得到的分辨率為50Mhz(0. lpm@795nm)，儀器分辨率V A A = 7950000,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的 波長計(jì)。
[0137] 本實(shí)用新型實(shí)施例提供的波長計(jì)，可應(yīng)用于780附近的紅外波段，實(shí)驗(yàn)選定了 lnm 的帶寬進(jìn)行了測量，可以測量出波長在0.1pm量級上的變化，得到的分辨率為50Mhz(0.1pm@ 795nm)，儀器分辨率A/AA = 7950000,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的干涉衍射類別的波長計(jì)。因此，所提 供的測量波長原理是個高精度的波長計(jì)。
[0138] 以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到 的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該 以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于光子軌道角動量的高精度波長計(jì)，其特征在于，包括:激光器、兩個半波片 HWP、三個偏振分束器I3BS、四個全反鏡、兩個聚焦透鏡、四分之一波片QWP、渦旋光場產(chǎn)生片 VPP、設(shè)置在溫控系統(tǒng)內(nèi)的非線性光學(xué)晶體KTP、⑶D及圖像分析器;其中： 所述兩個半波片HWP分別記為HWPl與HWP2,三個偏振分束器I3BS分別記為I3BSl、PBS2與 PBS3,四個全反鏡分別記為R1、R2、R3與R4,兩個聚焦透鏡分別記為Ll與L2; 所述激光器出射的相干光依次經(jīng)過HWP、QWP、PBS1后射入全反鏡Rl中； 所述全反鏡Rl將光束反射至PBS2后，一部分光經(jīng)過PBS2透射后依次經(jīng)過全反鏡R4、 VPP、全反鏡R3與全反鏡R2后回到TOS2中，再透射至聚焦透鏡Ll;另一部分光經(jīng)過TOS2反射 后依次經(jīng)過全反鏡R2、全反鏡R3、VPP與全反鏡R4后回到PBS2中，再反射至聚焦透鏡Ll; 聚焦透鏡Ll聚焦后的光束再依次通過KTP、聚焦透鏡L2、HWP2與TOS3后射入CCD，該CCD 的輸出端還連有圖像分析器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子軌道角動量的高精度波長計(jì)，其特征在于，所述 PBSl與PBS3上還分別設(shè)有吸光器件。
【文檔編號】G01J9/02GK205506228SQ201620191192
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月11日
【發(fā)明人】劉世隆, 史保森
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)