[发明专利]实现混合螺旋相位光束轨道角动量态解调的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现含有多个轨道角动量态的混合螺旋相位光束的轨道角动量态解调的方法和装置，属于光电应用技术领域。

背景技术

实现混合螺旋相位光束轨道角动量态解调的装置，能够测量具有单一轨道角动量态分量和多个混合轨道角动量态分量的光束的轨道角动量态，这样的装置在利用光束轨道角动量进行信息存储和传输方面具有重要的应用前景。

光的轨道角动量是描述光波螺旋波前特征的一个物理量。具有形式相位因子的光束，每个光子携带轨道角动量(l为轨道角动量量子数)，此类光束中心存在相位奇点，波前呈现周期螺旋性，可将其光场分布按螺旋谐波展开：

光在各个螺旋谐波分量上的能量为：

Cn=12π|an(r,z)|2rdr]]>

光场中各个螺旋谐波分量上的能量分布，构成了光的轨道角动量谱，也称为螺旋谱。光束轨道角动量可以取(-∞，+∞)区间内的任意值，构成无穷维向量空间，若用光束轨道量特征态来表征信息，则轨道角动量态可以携带无穷大的信息量，这使得利用光的轨道角动量进行信息传输成为一个研究热点。利用光束的轨道角动量进行通信时，数据解调是一个必不可少的组成部分，需要检测出光束中所包含的各个轨道角动量分量。

目前，实现光束轨道角动量检测的方法有多种，如利用机械作用产生扭矩测量、利用二阶强度矩测量、利用旋转多普勒效应测量、利用衍射光栅测量、利用Mach-Zehnder干涉仪测量等等。其中，利用机械作用产生的扭矩测量和利用光束二阶强度矩测量的方法只能测量光场总的轨道角动量；利用旋转多普勒效应的方法难以测量包含多个角量子数螺旋分量的光束的轨道角动量。利用衍射光栅(相位光栅或者振幅光栅)能够实现轨道角动量态的测量，但是，单纯利用衍射光栅只能够测定单个轨道角动量态或者同轴叠加的多个互不相干的轨道角动量态，难以测量同轴叠加的多个相干轨道角动量态，并且很难确定各个轨道角动量态之间的能量分布情况。利用两臂带有Dove棱镜的Mach-Zehnder干涉仪可以分离具有不同角动量数的螺旋光束，但这种装置只能实现具有不同角量子数的螺旋光从Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端口分别输出，而不能确定各输出光的轨道角动量态。

发明内容

本发明的目的是提出一种实现含有多个轨道角动量态的混合螺旋相位光束的轨道角动量态解调的方法和装置。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

本发明的装置包括四个分光镜、两个全反射镜、两个Dove棱镜、两个衍射光栅、两个凸透镜、两个CCD探测器、两个能量计。

所述的分光镜能量分光比均为50/50，用作分光的分光镜分光膜位于分光镜前表面，与入射光成45°角，用作合光的分光镜分光膜位于分光镜后表面，且与起分光作用的分光镜相互平行，另外两个分光镜分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端且互相垂直，其中一片分光镜与起分光作用的分光镜相互平行；所述的全反射镜均为45°全反，其反射面均与起分光作用的分光镜相互平行；所述的两个Dove棱镜分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两臂上且相对旋转过π/n(n＝2，3，4...)的角度，Dove棱镜相对旋转时中心轴与光轴重合；所述的两个衍射光栅分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端，其中心轴与光轴重合；所述的两个凸透镜分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端，且分别与同轴上的衍射光栅呈一倍焦距的距离；所述的两个CCD探测器分别位于Mach-Zehnder干涉仪的两个输出端，且分别与同轴上的凸透镜呈一倍焦距的距离；所述的两个能量计分别位于干涉仪输出端分光镜的反射输出光轴上。

本发明提供的实现含有多个轨道角动量态的混合螺旋相位光束的轨道角动量态解调的方法由三个功能块构成，具体步骤为：

①实现不同角量子数螺旋光的分离，具体步骤为：