[發明專利]基于波前轉換法的光子軌道角動量測量系統及方法

有效

• 申請號: 201610579586.0
• 申請日: 2016-07-21
• 公開（公告）號: CN106289526B
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 張子靜;趙遠;張建東;蘇建忠;王峰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及一種光子軌道角動量測量系統及方法，涉及量子技術中的單光子探測技術領域。

背景技術

光子軌道角動量可以加載無窮多維信息，在通信和探測領域都是信息良好載體，有時候回波信號十分微弱，目前缺少光子量級軌道角動量的探測方法。傳統的強度干涉的方法不適用于光子量級的微弱信號軌道角動量測量，傳統的干涉儀級聯探測的方式，對于軌道角動量種類較多的情況，級聯難度指數性增加，并且大量分束器會引起由于儀器不理想和傳輸損耗導致的探測誤差，種類越多，誤差越大。因此急需單光子量級的光子軌道角動量量子數的簡易探測方法。

發明內容

本發明為了克服上述現有技術的不足，實現光子量級的光子軌道角動量量子數的簡易探測，進而提供了一種基于波前轉換法的光子軌道角動量測量系統及方法。

本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：

一種基于波前轉換法的光子軌道角動量測量系統，所述系統包括氦氖激光器、準直擴束系統、三個分束器、第一反射式空間光調制器、第二反射式空間光調制器、第三反射式空間光調制器、第一聚束系統、第二聚束系統、過濾系統、擴束系統、傅里葉變換系統以及CCD陣列探測器；

氦氖激光器用于產生高斯型激光束，準直擴束系統用于將激光信號擴束；第一個分束器將擴束后激光信號的一部分透射，傳輸給第一反射式空間光調制器；第一反射式空間光調制器加載螺旋相位圖樣，對激光束進行調制，將高斯光束變成拉蓋爾—高斯光束，并再通過該分束器垂直入射聚束系統，通過過濾系統將雜散光和一部分衍射光斑濾掉，并利用擴束系統再次擴束，至此，帶有軌道角動量的光束已經產生；

帶有軌道角動量的光束經過第二個分束器反射給第二反射式空間光調制器進行調制，調制器中加載特定圖樣，區分各種不同的軌道角動量，反射后再通過該第二個分束器透射后通過傅里葉變換系統傳給第三個分束器，

經第三個分束器透射后將光束利用第三反射式空間光調制器對調制后的相位進行補償，最后將補償后的光束經過第二聚束系統聚焦在CCD陣列探測器上，此時探測器上亮條紋位置代表軌道角動量的量子數。

軌道角動量光束產生采用反射式空間光調制器加載螺旋相位圖樣，所述反射式空間光調制器為1920x1152高分辨率液晶空間光調制器。

接收端采用CCD陣列探測器對調制光束進行一次性聚焦成像。

采用空間光調制器對光束相位進行補償并配合CCD陣列探測器，可一次性獲得光束軌道角動量量子數信息，可應用于單光子水平軌道角動量量子數的探測。

過濾系統中包括光闌和窄帶濾光片，用于減弱背景噪聲和衍射圖樣中雜散光的影響，窄帶濾光片的參數為：波長632.8nm，激光純化濾光片，帶寬2nm，中心波長透過率≥90％。

分束器為分光棱鏡：用于對光束能量的分光，分光棱鏡的參數：材料為K9玻璃，尺寸25.4×25.4×25.4mm³，分光比50:50，偏差±5％，平均偏振，波長450-650nm，斜面鍍部分反射膜，所有直角面增透。

所述傅里葉變換系統是一個經過特殊加工的透鏡，能產生一個與譜點非線性誤差大小相等符號相反的畸變值，滿足正弦條件，當出射光線滿足正弦條件時，像點坐標與空間頻率成線性關系。

所述氦氖激光器(1)為激光器功率穩定性小于3％的能夠輸出光斑均勻的高質量高斯型激光的氦氖激光器。

一種利用上述任一權利要求所述系統獲取軌道角動量的量子數的方法，首先激光器產生高斯光束，反射式空間光調制器加載螺旋相位圖樣，經過第一反射式空間光調制器后產生拉蓋爾—高斯光束，拉蓋爾—高斯光束具有螺旋相位因子exp(ilθ)，其中i為虛數，l為光子軌道角動量量子數，θ為方位角。

隨后被第二反射式空間光調制器與第三反射式空間光調制器聯合調制，第二反射式空間光調制器與第三反射式空間光調制器內加載的圖樣信息將拉蓋爾—高斯光束從本來與方位角(exp(ilθ))有關的軌道角動量模式轉化成與位置相位(exp(ilx/a))有關的動量模式，其中參數a表示變換的縮放尺度，x表示變換后的坐標。

此時光束將從原來的圓環形渦旋光束伸展成水平有一定寬度的矩形光束，隨后經過傅里葉變換透鏡進行傅里葉變換，光學元件映射為(x,y)→(u,v)，其中(x,y)和(u,v)分別為輸入平面和輸出平面的二維直角坐標系統表示，相應的即為v＝a arctan(y/x)，光學元件的變換即為：