透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术是透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置及方法。装置包括驱动电源(1)、激光头(2)、扩束器(3)、螺旋相位板(4)、反射增程腔(5)、双缝挡板(6)、光屏(7)、测量头(8)、CCD相机(9)和计算机(10)。激光头(2)发出拉盖尔高斯激光经过扩束器(3)扩束后，再通过螺旋相位板(4)赋予螺旋形相位分布，透过反射增程腔(5)不断反射，再透过双缝挡板(6)产生两束相干的光束，光屏(7)对双缝干涉结果进行成像，通过测量头(8)和CCD相机(9)测量转换信号，在计算机(10)上显示测量结果。本发明专利技术不需要大范围的外场实验，简便快速地测量，将测量的不确定度降低到6％左右。

【技术实现步骤摘要】
透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置及方法
本专利技术涉及物理光学领域，是一种透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置及方法
技术介绍
1992年Leidon大学的Allen等人理论预言了光子轨道角动量OrbitalAngularMomentum，OAM的存在。它在基础性物理、应用物理以及天文，生物等交叉学科的研究中已经发挥了或正在发挥着令人意想不到的重要作用。1995年Queensland大学的研究小组实验观测到了轨道角动量从光束到CuO微粒的传递，并驱使后者发生转动，直接验证了光子轨道角动量的存在。光子轨道角动量广泛应用于量子雷达目标散射特性研究、目标探测与识别、量子隐身目标等诸多领域，除此之外，在量子通信领域，轨道角动量(OAM)作为一种新技术备受关注。但是，对于光子轨道角动量传输特性研究过程中容易由于涡旋光束携带有一定拓扑荷数的光束具有特殊的螺旋相位波前结构，在电磁波传播过程中，极易受到传输环境因素的影响，包括大气湍流、雨雾等，破坏其空间波前结构，使不同OAM模态之间信息传输产生干扰。
技术实现思路
本专利技术为研究透反性介质对光子轨道角动量的传输特性的影响，提供了一种透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置及方法，提供了以下技术方案：一种透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量装置，包括驱动电源1、激光头2、扩束器3、螺旋相位板4、反射增程腔5、双缝挡板6、光屏7、测量头8、CCD相机9和计算机10，除电源1和计算机10外其余均固定在支撑架上；驱动电源1连接激光头2，激光头2的出射端正对扩束器3的入射端，扩束器3的出射端正对螺旋相位板4入射端，螺旋相位板4的出射端正对反射增程腔5的入射端，反射增程腔5的出射端正对双缝挡板6的入射端，双缝挡板6的出射端正对光屏7的正面；测量头8的测量端正对光屏7的反面，CCD相机9正对测量头8输出结果端，CCD相机9连接计算机10。优选地，所述激光头2输出连续稳定的拉盖尔高斯激光的激光波长范围为380nm-760nm，光斑直径为0.5-0.9mm，横模为TEM00，偏振状态为线偏振、光束质量小于1.5。优选地，所述激光头2产生的拉盖尔高斯激光通过所述螺旋相位板4的中心位置，所述螺旋相位板4使拉盖尔高斯激光光束携带拓扑荷为1的轨道角动量。优选地，反射增程腔5包括5个首尾相连的反射镜，相邻的反射镜相互垂直，首尾处的两个发射镜长度为8cm-13cm，中间3个反射镜长度为20cm-30cm，反射增程腔5内填充透反性介质。优选地，双缝挡板6的双缝间距为0.08mm-0.4mm，双缝挡板6与光屏7之间的距离为500mm-800mm。一种透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量方法，包括如下步骤：步骤一：向反射增程腔5内填充透反性介质，保持室温状态；步骤二：将驱动电源1接入220V交流电，激光头2产生一束连续稳定的拉盖尔高斯激光；步骤二：调整激光头2、扩束器3和螺旋相位板4的中心点在同一直线上，使螺旋相位板4处发出的入射光束与反射增程腔5呈80°入射；步骤三：调整双缝挡板6、光屏7、测量头8和CCD相机9的中心点在同一条直线上，使双缝挡板6与反射增程腔5处发出的出射光束呈80°出射；步骤四：拉盖尔高斯激光分别通过扩束器3、螺旋相位板4、反射增程腔5、双缝挡板6后，通过光屏7成像，测量头8对干涉条纹进行定量测量，CCD相机9和计算机10显示干涉条纹的测量结果；步骤五:通过干涉条纹测量得到条纹弯曲的量和方向，反推透反性介质作用后的激光光束轨道角动量的拓扑荷数。优选地，所述激光头2输出连续稳定的拉盖尔高斯激光的激光波长范围为380nm-760nm，光斑直径为0.5-0.9mm，横模为TEM00，偏振状态为线偏振、光束质量小于1.5。优选地，所述激光头2产生的拉盖尔高斯激光通过所述螺旋相位板4的中心位置，所述螺旋相位板4使拉盖尔高斯激光光束携带拓扑荷为1的轨道角动量。优选地，所述步骤五具体为：第一步：一个拓扑荷数为的光子轨道角动量光束波长为λ正入射双缝挡板，通过下式表示入射拉盖尔高斯激光光束的通用表达式：其中，Ein为入射拉盖尔高斯激光光束强度，(r,θ)为极坐标，A(r)为表征复振幅，为激光光束轨道角动量的拓扑荷数，i为虚数单位，exp(imr2)为额外的衍射项。第二步：将左边狭缝的相位表达为第二个狭缝的相位表达为两个狭缝的沿着方向的相位差分布δφ(y)通过下式表达：其中，δφ(y)为两个狭缝的沿着方向的相位分布，(x,y)为光屏上的直角坐标，a为双缝挡板6的双缝间距。第三步：根据光学光程差理论和公式，当激光光束入射时，两个狭缝阵列的干涉强度分布通过下式表达：当条纹是等间距的平行条纹，其中心亮纹的轨迹x通过下式表示：其中，x为中心亮纹的轨迹，(x,y)为光屏上的直角坐标，λ为激光光束的波长，d为双缝挡板6与光屏7之间的距离。第四步：通过下式得到条纹的弯曲量Δx：反之，根据条纹弯曲量，通过下式可求得拓扑荷数的绝对值：其中，Δx为条纹的弯曲量，为激光光束轨道角动量的拓扑荷数的绝对值。第五步：激光光束轨道角动量的拓扑荷数值的正负由条纹弯曲的方向确定，对同一条条纹从上到下，条纹偏向右说明拓扑荷为负值，条纹偏向左说明拓扑荷为正值。本专利技术具有以下有益效果：为研究透反性介质对光子轨道角动量的传输特性的影响，本专利技术所述装置通过对拉盖尔高斯光束进行波前调制，使其携带拓扑荷为1的轨道角动量，通过一个反射增程系统使得透反性介质与激光光束充分作用，再通过双缝干涉产生弯曲条纹，使用CCD相机9与计算机10将干涉图样及其测量结果呈现在计算机上，最后通过测量结果就可以透反性介质作用后的激光光束轨道角动量的拓扑荷数及其正负，这样就能得到透反性介质对激光光束轨道角动量的影响。本专利技术提出的透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响测量装置结构简单、操作方便，不需要对光路进行复杂的调节。本专利技术装置在较小的反射增程腔5内，使得光程增大百倍，不需要大范围的外场实验，这样可以简便快速地测量出透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响。本专利技术能够快速高效地测量透反性介质对激光光束轨道角动量产生的影响，同时具有较高的可扩展性，通过对螺旋相位片4、双缝挡板6和激光头2的调整和匹配可以在一个较宽光谱范围内进行测量，同时，将测量的不确定度降低到6％左右。附图说明图1是透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置。图2是反射增程腔5的反射示意图。图3是激光光束携带拓扑荷为1的轨道角动量时的测量结果图图中:1-驱动电源，2-激光头，3-扩束器，4-螺旋相位板，5-反射增程腔，6-双缝挡板，7-光屏，8-测量头，9-CCD相机，10-计算机。具体实施方式以下结合具体实施例，对本专利技术进行了详细说明。具体实施例一：根据图1所示，本专利技术提供一种透反性介质对光子轨道角动量影响的测量装置，包括驱动电源1、激光头2、扩束器3、螺旋相位板4、反射增程腔5、双缝挡板6、光屏7、测量头8、CCD相机9和计算机10，除电源1和计算机10外其余均固定在支撑架上；驱动电源1连接激光头2，激光头2的出射端正对扩束器3的入射端，扩束器3的出射端正对螺旋相位板4入射端，螺旋相位板4的出射端正对反射增程腔5的入射端，反射增程腔5的出射端正对双缝挡板6的入射端，双缝挡板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量装置，其特征是：包括驱动电源(1)、激光头(2)、扩束器(3)、螺旋相位板(4)、反射增程腔(5)、双缝挡板(6)、光屏(7)、测量头(8)、CCD相机(9)和计算机(10)，除电源(1)和计算机(10)外其余均固定在支撑架上；驱动电源(1)连接激光头(2)，激光头(2)的出射端正对扩束器(3)的入射端，扩束器(3)的出射端正对螺旋相位板(4)入射端，螺旋相位板(4)的出射端正对反射增程腔(5)的入射端，反射增程腔(5)的出射端正对双缝挡板(6)的入射端，双缝挡板(6)的出射端正对光屏(7)的正面；测量头(8)的测量端正对光屏(7)的反面，CCD相机(9)正对测量头(8)输出结果端，CCD相机(9)连接计算机(10)。

【技术特征摘要】
1.一种透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量装置，其特征是：包括驱动电源(1)、激光头(2)、扩束器(3)、螺旋相位板(4)、反射增程腔(5)、双缝挡板(6)、光屏(7)、测量头(8)、CCD相机(9)和计算机(10)，除电源(1)和计算机(10)外其余均固定在支撑架上；驱动电源(1)连接激光头(2)，激光头(2)的出射端正对扩束器(3)的入射端，扩束器(3)的出射端正对螺旋相位板(4)入射端，螺旋相位板(4)的出射端正对反射增程腔(5)的入射端，反射增程腔(5)的出射端正对双缝挡板(6)的入射端，双缝挡板(6)的出射端正对光屏(7)的正面；测量头(8)的测量端正对光屏(7)的反面，CCD相机(9)正对测量头(8)输出结果端，CCD相机(9)连接计算机(10)。2.根据权利要求1所述的一种透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量装置，其特征是：所述激光头(2)输出连续稳定的拉盖尔高斯激光的激光波长范围为380nm-760nm，光斑直径为0.5-0.9mm，横模为TEM00，偏振状态为线偏振、光束质量小于1.5。3.根据权利要求1所述的一种透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量装置，其特征是：所述激光头(2)产生的拉盖尔高斯激光通过所述螺旋相位板(4)的中心位置，所述螺旋相位板(4)使拉盖尔高斯激光光束携带拓扑荷为1的轨道角动量。4.根据权利要求1所述的一种透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量装置，其特征是：反射增程腔(5)包括5个首尾相连的反射镜，相邻的反射镜相互垂直，首尾处的两个发射镜长度为8cm-13cm，中间3个反射镜长度为20cm-30cm，反射增程腔(5)内填充透反性介质。5.根据权利要求1所述的一种透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量装置，其特征是：双缝挡板(6)的双缝间距为0.08mm-0.4mm，双缝挡板(6)与光屏(7)之间的距离为500mm-800mm。6.一种如权利要求1所述透反性介质对光子轨道角动量传输特性影响的测量方法，其特征是：包括如下步骤：步骤一：向反射增程腔(5)内填充透反性介质，保持室温状态；步骤二：将驱动电源(1)接入220V交流电，激光头(2)产生一束连续稳定的拉盖尔高斯激光；步骤二：调整激光头(2)、扩束器(3)和螺旋相位器(4)的中心点在同一直线上，使螺旋相位器(4)处发出的入射光束与反射增程腔(5)呈80°入射；步骤三：调整双缝挡板(6)、光屏(7)、测量头(8)和CCD相机(9...

【专利技术属性】
技术研发人员：帅永，张国华，庞松健，谈和平，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23