[发明专利]一种测量轨道角动量光束拓扑荷值的系统及方法

说明书

本发明提供一种测量轨道角动量光束拓扑荷值的系统及方法，系统包括泵浦光源、轨道角动量光束生成单元、轨道角动量光束耦合单元、轨道角动量光束干涉单元和光探测器。轨道角动量光束生成单元获得携带拓扑电荷的轨道角动量光束；轨道角动量光束耦合单元将轨道角动量光束转化为相干态；轨道角动量光束干涉单元在此基础上对轨道角动量光束进行等厚干涉，得到所需的轨道角动量光束干涉形态，以进行测量。本发明实现了对轨道角动量拓扑电荷的数目及正负值的测量，且可测量高阶拓扑荷值，降低了测量系统的成本，大大提高了轨道角动量光束在实际应用中的效率。

技术领域

本发明涉及量子信息与光通信技术领域，更具体地，涉及一种测量轨道角动量光束拓扑荷值的系统及方法。

背景技术

光子具有多种自由度，例如偏振、自旋角动量和轨道角动量。自旋角动量与光子的圆偏振态有关，它的本征态可以由自旋角动量算符左旋圆偏振态|L和右旋圆偏振态|R来表示，利用自旋角动量可以构成常见的二维希尔伯特空间。在1992年，轨道角动量才正式为人们所知，并通过研究证明单光子中含有确定的轨道角动量为轨道角动量的特征量子数，也可被称为拓扑荷数，的取值可以为任意整数。理论上轨道角动量的值取值无限，即在量子信息与光通信技术中在无限维希尔伯特空间中的编码可以通过使用轨道角动量来实现。光子作为信息载体想要实现高维度的希尔伯特空间编码可以对光子的对轨道角动量进行调制，这极大的提升了光子可携带的信息量。在利用轨道角动量进行光通信和量子通信的方案中，对用于编码的光子轨道角动量进行测量是轨道角动量通信中的关键一步及最后一步。随着轨道角动量研究的热度越来越高，如何更为便捷有效的测量光子的轨道角动量成为了现今研究的热点领域之一。

现有技术中公开了一种基于信号串扰分布特征识别OAM光束拓扑荷数的检测系统的专利，该专利中OAM复用模块对涡旋光束进行轨道角动量复用；第一光学天线模块将涡旋光束信号发射进入光通信信道；第二光学天线将光束进行接收，OAM解复用模块将接收到的光信号分解到一组OAM模式上，并转化成串扰分布电信号，OAM光束拓扑荷数检测模块对输入数据进行分析以得出涡旋光束的拓扑荷数，该专利利用串扰分布的特征，充分利用串扰分布中包含的拓扑荷数信息使得涡旋光束拓扑荷数检测的正确率高、速率快，实现高速率信息传输。然而，对于测量轨道角动量光束拓扑荷值的大小及符号该专利鲜有报道。

在现有的应用中，光子所携带的轨道角动量在具有更大的拓扑荷值的同时，负数的拓扑荷也被广泛使用。因此轨道角动量的拓扑荷值在测量中不仅需要测量其数值绝对值的大小，还需要测量拓扑荷值的符号，将两个变量同时测量是一种挑战，对测量装置的轻量化也是在实际应用中亟需克服的问题。

发明内容

本发明提供一种测量轨道角动量光束拓扑荷值的系统，该系统能够测量轨道角动量光束拓扑荷值的大小及符号。

本发明的又一目的在于提供一种测量轨道角动量光束拓扑荷值的方法。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种测量轨道角动量光束拓扑荷值的系统，包括顺次连接的泵浦光源、轨道角动量光束生成单元、轨道角动量光束耦合单元、轨道角动量光束干涉单元和光探测器；

所述泵浦光源产生连续的高斯光束；所述轨道角动量光束生成单元产生携带所需拓扑电荷的轨道角动量光束；所述轨道角动量光束耦合单元用于将轨道角动量光束分束后再耦合，得到相干的轨道角动量光束；所述轨道角动量光束干涉单元对轨道角动量光束进行二次干涉，得到所需的干涉图样；所述光探测器对干涉图样进行观测，得到轨道角动量拓扑荷值的大小与正负。

进一步地，所述轨道角动量光束生成单元包括依次连接的第一透镜、第二透镜、偏振片、液晶空间光调制器SLM和计算机PC；泵浦光源与第一透镜连接，第一透镜和第二透镜组成一个透镜组，将输入的泵浦光进行扩束与准直；所述偏振片将高斯光束转化为线偏振光；所述计算机PC向液晶空间光调制器SLM输送计算全息图，将线偏振光转化为所需要的轨道角动量光束。