一种基于光子轨道角动量的高精度波长计制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于光子轨道角动量的高精度波长计，通过该波长计的特殊光路结构可以将偏振和轨道角动量纠缠的量子态分开，从而实现携带两个极性相反的轨道角动量光子自我干涉，得到对波长很敏感的干涉花瓣图像，再对干涉花瓣图像的变化量进行分析，从而确定波长的变化量。上述方案鲁棒性强，容易集成，而且成本非常的低，同时，测量精度与分辨率也较高。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光量子信息技术、光物理
和计量测试
，尤其涉及一种基于光子轨道角动量的高精度波长计。
技术介绍
目前，波长计大多数通过经典光学的干涉或者衍射的原理制作的，比如德国highfinesse公司生产的highfinesse波长计，是目前全球范围内精度最高的波长计，大陆包括清华大学等高校在内的多个科研院所均采用这种波长计。其WS6型号测量的分辨率达到50Mhz，绝对精度200Mhz，光学分辨率(FWHM)接近4000。另一种比较普遍的是SHR-激光波长计，利用反射梯光栅将测量的光谱扩展到整个波段，整个波长范围是190-1100nm，其近红外波长计SHR-IR波长分辨率在0.02nm，仪器分辨率(FWHM)接近4000。然而，上述波长计大多采用动态干涉仪和频谱分析的方法。典型的有迈克尔逊干涉仪、索菲干涉仪等，动态变化的干涉臂容易受外界影响(如电压等)，且容易引进振动噪声，快速傅里叶变换会丢失测量的精度，从而导致分辨率的下降，而科学研究或者技术加工往往需要一个波长范围窄，精度高的波长计。鉴于此，有必要研究一种可适用于科学研究或者工厂加工的波长相对较窄、精度相对高且成本较低的波长计。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种基于光子轨道角动量的高精度波长计，其测量精度与分辨率较高，且成本较低。本技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于光子轨道角动量的高精度波长计，包括：激光器、两个半波片HWP、三个偏振分束器PBS、四个全反镜、两个聚焦透镜、四分之一波片QWP、涡旋光场产生片VPP、设置在温控系统内的非线性光学晶体KTP、CDD及图像分析器；其中：所述两个半波片HWP分别记为HWP1与HWP2，三个偏振分束器PBS分别记为PBS1、PBS2与PBS3，四个全反镜分别记为R1、R2、R3与R4，两个聚焦透镜分别记为L1与L2；所述激光器出射的相干光依次经过HWP、QWP、PBS1后射入全反镜R1中；所述全反镜R1将光束反射至PBS2后，一部分光经过PBS2透射后依次经过全反镜R4、VPP、全反镜R3与全反镜R2后回到PBS2中，再透射至聚焦透镜L1；另一部分光经过PBS2反射后依次经过全反镜R2、全反镜R3、VPP与全反镜R4后回到PBS2中，再反射至聚焦透镜L1；聚焦透镜L1聚焦后的光束再依次通过KTP、聚焦透镜L2、HWP2与PBS3后射入CCD，该CCD的输出端还连有图像分析器。进一步的，所述PBS1与PBS3上还分别设有吸光器件。由上述本技术提供的技术方案可以看出，通过该波长计的特殊光路结构可以将偏振和轨道角动量纠缠的量子态分开，从而实现携带两个极性相反的轨道角动量光子自我干涉，得到对波长很敏感的干涉花瓣图像，再对干涉花瓣图像的变化量进行分析，从而确定波长的变化量。上述方案鲁棒性强，容易集成，而且成本非常的低，同时，测量精度与分辨率也较高。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本技术实施例提供的一种基于光子轨道角动量的高精度波长计的光路结构示意图；图2为本技术实施例提供的花瓣重心点与边缘点的分布情况示意图；图3为本技术实施例提供的图像重心旋转的示意图图4为本技术实施例提供的实际测量波长与理论波长的关系示意图。具体实施方式下面结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术的保护范围。本技术提出了一种基于光子轨道角动量(OAM)的高精度波长计，其具有精度高，测量范围大、系统鲁棒性强等优势，相比同类产品，其设备简单，成本低，易操作，易集成，在科学研究和高精密仪器研制方面具有很大的潜力。本技术是基于光子轨道角动量的独特性质。光子通过Sagnac(萨格纳克)干涉仪后会产生自旋角动量和轨道角动量纠缠的光子态其中|H>、|V>分别代表水平偏振和垂直偏振的光子态；|+l>与|-l>表示两个极性相反的轨道角动量，轨道角动量值为l；根据态的叠加原理，为偏振和轨道角动量纠缠的纠缠态；ei(α)代表两个分立态之间的相位差。实验中光子态经过KTP晶体产生相位延迟eiβ，其中β为无量纲的比例因子，代表相位差，与KTP晶体的有效长度L，Δn(λ,T)有直接的关系。Δn(λ,T)为水平偏振光和垂直偏振光经过晶体后产生的折射率差，这个折射率差和光子的波长λ、环境温度T有关，一般情况下L保持不变，则KTP晶体的温度T和入射光的波长λ将影响β的变化，而β的变化将影响着光子态的变化，最终影响光路中干涉图像的变化。理论和实验均表明，β每变化2π，对应干涉图像的花瓣将改变弧度，故波长的变化将导致图像的变化，反之，通过图像的变化也就可以推得波长的变化。光子既是经典信息也是量子信息的理想载体，单个光子不仅可以携带自旋角动量(与光波的圆偏振相关)，还可以携带轨道角动量(与光波的螺旋相位相关)。携带轨道角动量的光子由于具有无限维的Hilbert空间，从而在光学通信和传感方面表现出了巨大的优势。携带不同l值的光束的空间轨迹，以及干涉图像均存在区别，而前文所提到的光子态是一个偏振(即自旋角动量)和轨道角动量纠缠的纠缠态，无法直接进行干涉，必须创造出两个极性相反的轨道角动量进行自我干涉。下文中将结合附图1来介绍基于光子轨道角动量的高精度波长计的光路结构。如图1所示，其主要包括：两个半波片HWP、三个偏振分束器PBS、四个全反镜、两个聚焦透镜、四分之一波片QWP、涡旋光场产生片VPP、设置在温控系统内的非线性光学晶体KTP、CDD(图像传感器)及图像分析器；以上器件的工作波长均在780nm附近。实验中晶体的温度用实验室自制的温控系统，温控误差2mk。其中：所述两个半波片HWP分别记为HWP1与HWP2，三个偏振分束器PBS分别记为PBS1、PBS2与PBS3，四个全反镜分别记为R1、R2、R3与R4，两个聚焦透镜分别记为L1与L2；所述激光器出射的相干光依次经过HWP、QWP、PBS1后射入全反镜R1中；所述全反镜R1将光束反射至PBS2后，一部分光经过PBS2透射后依次经过全反镜R4、VPP、全反镜R3与全反镜R2后回到PBS2中，再透射至聚焦透镜L1；另一部分光经过PBS2反射后依次经过全反镜R2、全反镜R3、VPP与全反镜R4后回到PBS2中，再反射至聚焦透镜L1；聚焦透镜L1聚焦后的光束再依次通过KTP、聚焦透镜L2、HWP2与PBS3后在CCD中成像，所述图像分析器从CCD中获取波长变动前后的两幅图像，并根据两幅图像的变化量计算波长变化。如前文所述相位因子β，与KTP晶体的有效长度L、光子的波长λ、环境温度T有关；其中的KTP晶体的有效长度L通常不变，则光子的波长λ与环境温度T为变量；本技术实施例中，将KTP晶体置于温控系统中，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光子轨道角动量的高精度波长计，其特征在于，包括：激光器、两个半波片HWP、三个偏振分束器PBS、四个全反镜、两个聚焦透镜、四分之一波片QWP、涡旋光场产生片VPP、设置在温控系统内的非线性光学晶体KTP、CDD及图像分析器；其中：所述两个半波片HWP分别记为HWP1与HWP2，三个偏振分束器PBS分别记为PBS1、PBS2与PBS3，四个全反镜分别记为R1、R2、R3与R4，两个聚焦透镜分别记为L1与L2；所述激光器出射的相干光依次经过HWP、QWP、PBS1后射入全反镜R1中；所述全反镜R1将光束反射至PBS2后，一部分光经过PBS2透射后依次经过全反镜R4、VPP、全反镜R3与全反镜R2后回到PBS2中，再透射至聚焦透镜L1；另一部分光经过PBS2反射后依次经过全反镜R2、全反镜R3、VPP与全反镜R4后回到PBS2中，再反射至聚焦透镜L1；聚焦透镜L1聚焦后的光束再依次通过KTP、聚焦透镜L2、HWP2与PBS3后射入CCD，该CCD的输出端还连有图像分析器。

【技术特征摘要】
1.一种基于光子轨道角动量的高精度波长计，其特征在于，包括：激光器、两个半波片HWP、三个偏振分束器PBS、四个全反镜、两个聚焦透镜、四分之一波片QWP、涡旋光场产生片VPP、设置在温控系统内的非线性光学晶体KTP、CDD及图像分析器；其中：所述两个半波片HWP分别记为HWP1与HWP2，三个偏振分束器PBS分别记为PBS1、PBS2与PBS3，四个全反镜分别记为R1、R2、R3与R4，两个聚焦透镜分别记为L1与L2；所述激光器出射的相干光依次经过HWP、QWP、PBS1后射入全反镜R1中；所述全反...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘世隆，史保森，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：新型
国别省市：安徽;34