[發明專利]一種基于干涉的光束軌道角動量譜分析方法與裝置

有效

• 申請號: 202010095640.0
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111238634B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 付時堯;高春清
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01J1/00
• 分類號: G01J1/00;G01J3/00;G01J11/00;G02B27/28
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本發明公開了一種基于干涉的光束軌道角動量譜分析方法與裝置。引入一參考高斯光束，使其與待測光束同軸干涉，通過干涉場的二維光場分布，以及待測光束和參考光束的二維光場分布，可反推出待測光束的復振幅，進而采用螺旋諧波展開的方式直接計算出待測光束的軌道角動量譜。本發明的工作原理完全依照軌道角動量譜的定義展開，使得本發明的方法適用于任何激光束，不受待測光束光場分布的制約。此外本發明的裝置結構簡單而穩定，易于小型化，方便攜帶，能有效的應用于各種不同的應用場景中。

技術領域

本發明涉及光電技術領域，尤其涉及一種基于干涉的光束軌道角動量譜分析方法與裝置。

背景技術

光的軌道角動量(orbital angular momentum,OAM)是激光束的一個全新維度。早在1992年，荷蘭科學家Allen等人的研究發現，OAM是具有螺旋波前(l為角量子數，為角向坐標)的渦旋激光束的固有屬性，同時光束中每一個光子所攜帶的OAM的值，為約化普朗克常量的整數倍表明光束的OAM的本征值l可以為任意整數，且不同本征值的OAM成分相互正交，可構成一無窮維希爾伯特空間。攜帶有OAM的光束的這些獨特性質，使得其在多個應用領域展現出巨大的應用前景。例如，利用OAM的正交性可以將模式復用技術引入到傳統的光通信系統中，極大地拓展光通信系統的信道容量；攜帶有OAM的光束的螺旋形波面使得該光束具有旋轉多普勒效應，在照射到旋轉物體表面時散射光將出現頻移，通過該頻移可反推出旋轉體轉速；此外，光束的OAM在激光加工、量子信息、天文等領域都具有重要的應用價值。

一束激光束中可以同時包含有多個不同的OAM成分，而不同OAM成分的強度比重即為光束的OAM譜。不難理解，不同的OAM成分對應于不同的螺旋梯度波面，它們的相互疊加構成了復雜的光波前結構，這表明OAM譜決定了光束的光波前分布。對于不同的應用場景，常常需要不同的OAM分布，例如，在光通信中，需要多個特定的不同OAM疊加以實現良好的模式復用；而在基于OAM的旋轉探測系統中，則需要根據光束所包含的OAM成分來反推出待測物體的轉速。因此，精確的測量光束的OAM譜對于OAM的實際應用是十分必要的。

國內外學者已經在光束OAM譜的測量方面開展了相關研究工作，所提出的方法可大致分為兩類：其一為類似于光譜儀的原理，通過衍射系統將一束激光中的不同OAM成分相互分離，再分別測出各個成分的強度，進而得到OAM譜；其二則為通過模式匹配、旋轉多普勒效應、旋轉算符分析、衍射場分析等間接得到光束的OAM譜。上述方法雖可實現光束OAM譜的分析和測量，但仍存在局限性，主要體現于：只適用于具有單環結構的光束，對于復雜光場分布結構光束如多環渦旋光束、貝塞爾高斯光束等無能為力；另外測量OAM譜的角量子數范圍也極大的受衍射光學器件等的制約，無法實現大角量子數范圍的OAM譜探測。

發明內容

有鑒于此，本發明公開了一種基于干涉的光束OAM譜分析方法與裝置。

本發明的一種基于干涉的光束OAM譜分析方法，通過引入一額外的高斯光束作為參考光束，使其與待測光束同軸干涉，通過干涉場的二維光場分布，以及待測光束和參考光束的二維光場分布，可反推出待測光束的復振幅，進而采用螺旋諧波展開的方式直接計算出待測光束的OAM譜。上述分析過程完全按照OAM譜的定義展開，因此該方法適用于任何光束，不受待測光束光場分布的制約。

本發明的一種基于干涉的光束OAM譜分析裝置，具備參考光束激光器、擴束器、兩個檢偏器、液晶相位延遲器、消偏振五五分光棱鏡、面陣探測器和主機，其中：

所述參考光束激光器用于產生參考高斯光束；

所述擴束器置于參考光束激光器后方的激光光路中，用于參考光束的擴束；

所述第一個檢偏器置于擴束器后方的激光光路中，用于調節參考光束的偏振態；

所述液晶相位延遲器置于第一個檢偏器后方的激光光路中，用于為參考光束引入可控的相位延遲；