[发明专利]利用组合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用组合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的方法和装置，属于光电技术领域。

背景技术

轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)是描述光的波前性质的一个物理参数，携带轨道角动量的光束的特征是其波前为螺旋形，这种光束也被称为螺旋光束。常见的螺旋光束包括拉盖尔一高斯光束和贝塞尔光束，它们由于中心的相位奇点而导致暗斑的出现，并形成亮环的结构。能够方便准确的探测螺旋光束的轨道角动量，对于螺旋光束的应用具有非常重要的意义。目前，已经报道的测量螺旋光束的轨道角动量的方法有很多种，包括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、利用杨氏双缝或者衍射光栅测量、利用Mach-Zehnder干涉仪测量等。本发明涉及了一种检测螺旋光束的轨道角动量的新方法，主要利用了组合半波片这一新型器件，具有结构简单、效率高等优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用组合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的方法和装置。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

本发明提供的一种利用组合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的装置包括组合半波片、四分之一波片、二分之一波片、渥拉斯顿棱镜、聚焦透镜和CCD相机。

所述的组合半波片让被检测的一束光轴与组合半波片中心重合的螺旋光束垂直透过，用于检测螺旋光束的轨道角动量，若出射光斑为实心则螺旋光束的轨道角动量量子数的绝对值等于所用组合半波片的阶数，出射光束为两束圆偏振光的叠加；所述的四分之一波片的快轴为水平方向置于组合半波片后，用于轨道角动量量子数的绝对值等于所用组合半波片的阶数，出射光束为两束圆偏振光的叠加；所述的四分之一波片的快轴为水平方向置于组合半波片后，用于将两束圆偏振光的叠加变换为线偏振光的叠加；所述的二分之一波片的快轴方向与水平方向成22.5°，置于四分之一波片后，用于使光束的偏振方向旋转为水平和竖直；所述的渥拉斯顿棱镜的分离角可以由φ＝2sin^-1[(n₀-n_e)tanθ]计算得到，式中n₀和n_e为渥拉斯顿棱镜所用双折射晶体的寻常光和非常光的折射率，θ为渥拉斯顿棱镜晶体的切割角，将其置于二分之一波片后，用于使两束叠加的偏振方向正交的衍射光分离来判断光束轨道角动量量子数的正负；所述的聚焦透镜置于渥拉斯顿棱镜后，用于成像；所述的CCD相机置于聚焦透镜焦点处，用于观察并判断入射螺旋光束的轨道角动量量子数。

本发明提供的一种动态实时测量多个螺旋光束的轨道角动量的方法为一个并联形式的检测系统，首先将待测螺旋光束等能量分成4束，4束光分别通过一阶、二阶、三阶和四阶组合半波片，之后再经过1/4波片成为线偏振光，再经过渥拉斯顿棱镜分光，得到8束光，最后用光电二极管探测。此检测系统的能量利用率虽然只用1/8，但是远高于光栅方法，更重要的是调节简单，可实现256个数据态的同时传输。

本发明提供的利用组合半波片检测螺旋光束的轨道角动量的具体步骤为：

被检测的螺旋光束垂直透过一个组合半波片的中心，出射的光束为一束左旋圆偏振光和一束右旋圆偏振光的同轴叠加，通过一个快轴方向为水平的四分之一波片使其变换为两束偏振方向正交的线偏振光，其中一束偏振方向与水平方向成45°另一束与水平方向成135°，再通过一个快轴方向与水平方向成22.5°的二分之一波片，偏振方向变为水平和竖直，通过一个渥拉斯顿棱镜将两束同轴传输的光分离，经聚焦透镜成像后，在焦点处用CCD相机观测分离的光束，更换不同阶数的组合半波片，判断入射螺旋光束的轨道角动量量子数。

本发明的有益效果：

①检测装置结构简单。

②效率远高于衍射光栅方法。

③能够动态实时的检测多个光束轨道角动量态。

附图说明

图1是本发明的原理图；图中，1-组合半波片，2-四分之一波片，3-二分之一波片，4-渥拉斯顿棱镜，5-聚焦透镜，6-CCD相机。

图2是线偏振光入射透过不同阶的组合半波片后光场偏振分布示意图；图中，从上到下依次为0°线偏振光束入射通过1、2、3阶组合半波片后出射光分别为1、2、3阶矢量光束。