[发明专利]一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量方法，属于量子传感领域。

技术背景

涡旋光束是一种具有螺旋相位波前的特殊光场，光场的相位分布函数为exp(ilθ)，这种光场的每个光子都携有特定的轨道角动量其中l被称为拓扑荷，θ是方位角。对于相干性较差的部分相干光而言，一般不存在光强为零的光涡旋，却存在光谱相干度或互相干函数为零的相干涡旋。相干涡旋的拓扑荷在光镊、激光通信及量子密码系统有着重要的应用前景。光子的轨道角动量态|l>具有完备性、正交性和无限的维度，其已经被论证可以作为高维度希尔伯特空间量子信息应用的一个有效的自由度(参见学术论文Franke-Arnold S,Allen L, Padgett M.Advances in optical angular momentum.Laser Photon Rev 2008；2:299–313.)。

双光子纠缠是指两光子以非定域的形式相互联系，当其中一个光子发生变化，另一个光子无论处在什么样的条件下也会发生相应的改变。纠缠双光子波函数，是量子形态的互相干函数，因此可以用来反应双光子纠缠状态下的相干涡旋(参见学术论文Li-Gang Wang et al., ABCD law of two-mode Gaussian-entangled light fields in linear optical systems. Optics Communications 284(2011)5860–5865)。双光子关联成像是一种利用光源的量子纠缠特性，实现在不含物体的光路中获取物体衍射图像的新型成像机制。这种关联成像又被称为鬼成像，现已广泛应用于分布图像处理、分布感知及通信领域。

目前测量光学涡旋拓扑荷的方法主要有：干涉法和衍射法。当光源相干度下降时，干涉法无法进行拓扑荷数值的准确判断。当光源拓扑荷值较大时，衍射法的分辨能力降低。除此之外，以上两种方法采用赝热激光作为光源。光源热噪声严重制约了测量信号准确度的提高，使其难以在单光子水平上准确识别光源的涡旋拓扑信息。

发明内容

本发明的目的是针对在先技术的不足，提供一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的。一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量方法，其步骤如下：

(1)产生非相干纠缠光子对；

(2)将所述纠缠光子对通过分束器分为i光子和s光子；

(3)控制计算机使通过空间光调制器的s光子获得涡旋相位，然后将光信号耦合到单模光纤，用雪崩二极管进行单点测量；

(4)控制计算机使通过空间光调制器的i光子获得特定的振幅和相位，然后将光信号耦合到单模光纤，用雪崩二极管进行单点测量；

(5)将两路所测量的光信号进行关联计算并用计算机记录；

(6)通过改变i光子所在光路的空间光调制器的透射系数l，输出值中的最大值所对应的透射系数就是s光子的涡旋拓扑荷值。

本发明采用的非相干纠缠光子对是由双模激光器产生的。

本发明的有益效果在于可以在单光子水平上对涡旋光束进行测量。测量结果直观，测量范围大。

附图说明

图1表示在本发明的一个实施例中所用的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释。

图1为用于本发明的一个实施例的示意图。它包括：双模关联激光器1；分束器2；第一带通滤波器3；第一空间光调制器4；第一计算机5；第二带通滤波器6；第二空间光调制器 7；第二计算机8；第一透镜9；第一单模光纤10；第一雪崩光电二极管11；第二透镜12；第二单模光纤13；第二雪崩光电二极管14；关联计数器15；第三计算机16。

参见附图1，一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量法的工作步骤如下：

1、双模关联激光器1产生高斯纠缠的双光子对；所述高斯纠缠光子对的波函数为：