[发明专利]一种基于干涉的光束轨道角动量谱分析方法与装置

说明书

本发明公开了一种基于干涉的光束轨道角动量谱分析方法与装置。引入一参考高斯光束，使其与待测光束同轴干涉，通过干涉场的二维光场分布，以及待测光束和参考光束的二维光场分布，可反推出待测光束的复振幅，进而采用螺旋谐波展开的方式直接计算出待测光束的轨道角动量谱。本发明的工作原理完全依照轨道角动量谱的定义展开，使得本发明的方法适用于任何激光束，不受待测光束光场分布的制约。此外本发明的装置结构简单而稳定，易于小型化，方便携带，能有效的应用于各种不同的应用场景中。

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于干涉的光束轨道角动量谱分析方法与装置。

背景技术

光的轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)是激光束的一个全新维度。早在1992年，荷兰科学家Allen等人的研究发现，OAM是具有螺旋波前(l为角量子数，为角向坐标)的涡旋激光束的固有属性，同时光束中每一个光子所携带的OAM的值，为约化普朗克常量的整数倍表明光束的OAM的本征值l可以为任意整数，且不同本征值的OAM成分相互正交，可构成一无穷维希尔伯特空间。携带有OAM的光束的这些独特性质，使得其在多个应用领域展现出巨大的应用前景。例如，利用OAM的正交性可以将模式复用技术引入到传统的光通信系统中，极大地拓展光通信系统的信道容量；携带有OAM的光束的螺旋形波面使得该光束具有旋转多普勒效应，在照射到旋转物体表面时散射光将出现频移，通过该频移可反推出旋转体转速；此外，光束的OAM在激光加工、量子信息、天文等领域都具有重要的应用价值。

一束激光束中可以同时包含有多个不同的OAM成分，而不同OAM成分的强度比重即为光束的OAM谱。不难理解，不同的OAM成分对应于不同的螺旋梯度波面，它们的相互叠加构成了复杂的光波前结构，这表明OAM谱决定了光束的光波前分布。对于不同的应用场景，常常需要不同的OAM分布，例如，在光通信中，需要多个特定的不同OAM叠加以实现良好的模式复用；而在基于OAM的旋转探测系统中，则需要根据光束所包含的OAM成分来反推出待测物体的转速。因此，精确的测量光束的OAM谱对于OAM的实际应用是十分必要的。

国内外学者已经在光束OAM谱的测量方面开展了相关研究工作，所提出的方法可大致分为两类：其一为类似于光谱仪的原理，通过衍射系统将一束激光中的不同OAM成分相互分离，再分别测出各个成分的强度，进而得到OAM谱；其二则为通过模式匹配、旋转多普勒效应、旋转算符分析、衍射场分析等间接得到光束的OAM谱。上述方法虽可实现光束OAM谱的分析和测量，但仍存在局限性，主要体现于：只适用于具有单环结构的光束，对于复杂光场分布结构光束如多环涡旋光束、贝塞尔高斯光束等无能为力；另外测量OAM谱的角量子数范围也极大的受衍射光学器件等的制约，无法实现大角量子数范围的OAM谱探测。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种基于干涉的光束OAM谱分析方法与装置。

本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析方法，通过引入一额外的高斯光束作为参考光束，使其与待测光束同轴干涉，通过干涉场的二维光场分布，以及待测光束和参考光束的二维光场分布，可反推出待测光束的复振幅，进而采用螺旋谐波展开的方式直接计算出待测光束的OAM谱。上述分析过程完全按照OAM谱的定义展开，因此该方法适用于任何光束，不受待测光束光场分布的制约。

本发明的一种基于干涉的光束OAM谱分析装置，具备参考光束激光器、扩束器、两个检偏器、液晶相位延迟器、消偏振五五分光棱镜、面阵探测器和主机，其中：

所述参考光束激光器用于产生参考高斯光束；

所述扩束器置于参考光束激光器后方的激光光路中，用于参考光束的扩束；

所述第一个检偏器置于扩束器后方的激光光路中，用于调节参考光束的偏振态；

所述液晶相位延迟器置于第一个检偏器后方的激光光路中，用于为参考光束引入可控的相位延迟；