[发明专利]基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于量子弱测量的轨道角动量光束重心位移测量装置及方法，通过设置合适的偏振态制备器和偏振态选择器作为弱测量系统的前选择态和后选择态，使经过位移发生装置‑空气界面反射的OAM光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态接近正交。并利用量子弱测量的放大效应，使OAM光束重心位移可直接使用普通光电探测器测得，如普通CCD；测量装置结构简单，成本低，测量方法简单易上手；同时，本发明适用于测量不同阶数的涡旋光、研究不同入射角对OAM光束重心位移的影响；有望在生物医学、生命科学、分析化学、物理学、材料学等多个技术领域取得重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及光学仪器领域，更具体地，涉及一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置及方法。

背景技术

轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)光束重心位移是指因光轨道霍尔效应(photonic orbital Hall effect)而产生的现象。所述的轨道霍尔效应是指携带内在轨道角动量的光束(如：涡旋光)，经过界面反射或透射时，产生光束重心位移的现象，所述光束重心的运动是与轨道-轨道相互作用相关的。研究OAM光束重心的微小位移有助于对光子的自旋和轨道霍尔效应理解的全面性，能够加深对涡旋光偏移特性的了解，挖掘其潜在的应用价值。

OAM光束重心的位移是极其微小的，现有技术中，测量该位移大小需采用非常精密、复杂的光学仪器，不能通过简单的仪器实现有效、精细的位移测量，相关的测量方法也较为复杂，增加了仪器和时间的成本，研究的可操作性受到限制，不利于光轨道霍尔效应的研究。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置及方法，通过简单、常见的测量仪器组合实现了有效的OAM光束重心位移测量，对应的弱测量方法能够有效放大位移值，有利于直接使用普通光电探测器测量，如CCD、位置传感器等，所述测量值可精准至百微米级别，实现了精细、方便、快捷的测量。

本发明采取的技术方案是，一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置，包括：发光装置，用于发出光束，产生普通的光束；OAM光束产生器，用于接收所述光束，并将其转变为OAM光束；偏振态制备器，用于接收所述OAM光束并将其转变为线偏振光；位移发生装置，用于接收所述线偏振光并对所述线偏振光进行反射，反射的偏振光带有第一偏振态，反射前的偏振光带有入射偏振态，入射偏振态与第一偏振态不同。

偏振态选择器，接收所述位移发生装置反射的偏振光，且设有第二偏振态，所述第二偏振态与所述第一偏振态形成量子弱测量光路，所述第二偏振态与第一偏振态的夹角为90°±Δ，Δ≤5°；光电探测器，用于接收和/或记录偏振态选择器作用后的偏振光。

由发光装置发出的光束经OAM光束产生器变成携带轨道角动量的涡旋光，继而经过偏振态制备器变成线偏振光。线偏振光经空气-位移发生装置界面反射，反射后的偏振光经偏振态选择器后由光电探测器接收；从位移发生装置反射处的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分，两个偏振态接近正交，以使光探测器接收到的光强信号最小，位置变化更加直观。

利用少量而简单的仪器实现了OAM光束的产生、重心位移、重心位移测量过程，接近正交的第一偏振态、第二偏振态形成量子弱测量光路，从而有效的利用了量子弱测量中的放大效应，使得经偏振态选择器后的光束被常用的光电探测器记录，不需要非常精密的仪器。

所述发光装置包括光源发生器、设置于光源发生器出射光路上的扩束器以及改变光线方向的光束变向装置；所述光源发生器用于发出光束；所述扩束器用于扩大平行输入光束的直径至较大的平行输出光束，有助于光束的处理和被探测；所述光束变向装置用于改变扩大直径后的平行输出光束的方向，有助于光束到达下一部件。

优选的，所述光源发生器为激光器或激光二极管或超辐射发光二极管或白光发生器或量子光源发生器，可操作性强，成本低；