基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于量子弱测量的轨道角动量光束重心位移测量装置及方法，通过设置合适的偏振态制备器和偏振态选择器作为弱测量系统的前选择态和后选择态，使经过位移发生装置‑空气界面反射的OAM光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态接近正交。并利用量子弱测量的放大效应，使OAM光束重心位移可直接使用普通光电探测器测得，如普通CCD；测量装置结构简单，成本低，测量方法简单易上手；同时，本发明专利技术适用于测量不同阶数的涡旋光、研究不同入射角对OAM光束重心位移的影响；有望在生物医学、生命科学、分析化学、物理学、材料学等多个技术领域取得重要的应用价值。

Measuring device and method of gravity center displacement of OAM beam based on quantum weak measurement

【技术实现步骤摘要】
基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置及方法
本专利技术涉及光学仪器领域，更具体地，涉及一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置及方法。
技术介绍
轨道角动量(orbitalangularmomentum，OAM)光束重心位移是指因光轨道霍尔效应(photonicorbitalHalleffect)而产生的现象。所述的轨道霍尔效应是指携带内在轨道角动量的光束(如：涡旋光)，经过界面反射或透射时，产生光束重心位移的现象，所述光束重心的运动是与轨道-轨道相互作用相关的。研究OAM光束重心的微小位移有助于对光子的自旋和轨道霍尔效应理解的全面性，能够加深对涡旋光偏移特性的了解，挖掘其潜在的应用价值。OAM光束重心的位移是极其微小的，现有技术中，测量该位移大小需采用非常精密、复杂的光学仪器，不能通过简单的仪器实现有效、精细的位移测量，相关的测量方法也较为复杂，增加了仪器和时间的成本，研究的可操作性受到限制，不利于光轨道霍尔效应的研究。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置及方法，通过简单、常见的测量仪器组合实现了有效的OAM光束重心位移测量，对应的弱测量方法能够有效放大位移值，有利于直接使用普通光电探测器测量，如CCD、位置传感器等，所述测量值可精准至百微米级别，实现了精细、方便、快捷的测量。本专利技术采取的技术方案是，一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置，包括：发光装置，用于发出光束，产生普通的光束；OAM光束产生器，用于接收所述光束，并将其转变为OAM光束；偏振态制备器，用于接收所述OAM光束并将其转变为线偏振光；位移发生装置，用于接收所述线偏振光并对所述线偏振光进行反射，反射的偏振光带有第一偏振态，反射前的偏振光带有入射偏振态，入射偏振态与第一偏振态不同。偏振态选择器，接收所述位移发生装置反射的偏振光，且设有第二偏振态，所述第二偏振态与所述第一偏振态形成量子弱测量光路，所述第二偏振态与第一偏振态的夹角为90°±Δ，Δ≤5°；光电探测器，用于接收和/或记录偏振态选择器作用后的偏振光。由发光装置发出的光束经OAM光束产生器变成携带轨道角动量的涡旋光，继而经过偏振态制备器变成线偏振光。线偏振光经空气-位移发生装置界面反射，反射后的偏振光经偏振态选择器后由光电探测器接收；从位移发生装置反射处的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分，两个偏振态接近正交，以使光探测器接收到的光强信号最小，位置变化更加直观。利用少量而简单的仪器实现了OAM光束的产生、重心位移、重心位移测量过程，接近正交的第一偏振态、第二偏振态形成量子弱测量光路，从而有效的利用了量子弱测量中的放大效应，使得经偏振态选择器后的光束被常用的光电探测器记录，不需要非常精密的仪器。所述发光装置包括光源发生器、设置于光源发生器出射光路上的扩束器以及改变光线方向的光束变向装置；所述光源发生器用于发出光束；所述扩束器用于扩大平行输入光束的直径至较大的平行输出光束，有助于光束的处理和被探测；所述光束变向装置用于改变扩大直径后的平行输出光束的方向，有助于光束到达下一部件。优选的，所述光源发生器为激光器或激光二极管或超辐射发光二极管或白光发生器或量子光源发生器，可操作性强，成本低；优选的，所述光束变向装置为反射镜或棱镜，用于反射光束，有助于光束转向至OAM光束产生器。所述OAM光束产生器为空间光调制器或涡旋相位片，将普通光束转变为带有轨道角动量的光束，为测量装置提供测量条件。所述偏振态制备器包括一个以上透镜组成的透镜组、光束能量调节器、光阑以及第一偏振器；所述透镜组用于成像、放大光束和过滤散光；优选的，透镜组由三个透镜组成，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜；所述OAM光束依次经第一透镜、光束能量调节器、光阑、第二透镜、第三透镜到达第一偏振器。所述第一透镜用于配合光阑过滤杂散光，所述光束能量调节器用于调节光束能量，所述第二透镜用于放大光束，所述第三透镜用于成像，将位移发生装置反射点处的光斑成像于光电探测器上。OAM光束经偏振态制备器后杂散光被去除，通过制备器中的光束能量调节器调整光束能量，提供易被探测、观测的光束，并通过多个透镜的结合，实现放大光束、成像的有益效果，有助于光电探测器上记录并形成直观的图像。所述第一偏振器将OAM光束转变为线偏振光，使得进入位移发生装置的偏振态更加纯净、单一，方便后续的测量与计算。优选的，所述光束能量调节器为二分之一玻片或中性衰减片。所述二分之一波片通过调节光轴方向与入射光偏振方向的夹角实现对光能量的调节；有助于调整光强，从而获得较佳的成像。优选的，所述第一偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜，将原OAM光束转变成振动方向由偏振器偏振方向所决定的线偏振光。所述位移发生装置为棱镜，所述棱镜具备折射率n，且折射率n大于空气折射率n0，提供OAM光束重心位移的前提条件，此外，所述折射率n可通过光路产生过程中的数据计算获得；所述棱镜可以为三棱镜、四棱镜、五棱镜等。优选的，所述位移发生装置的空气-位移发生装置界面应能够提供一个梯度变化的折射率，提供光轨道霍尔效应产生的外部条件。所述偏振态选择器包括相位补偿器、第二偏振器；所述相位补偿器用于将位移发生装置反射的线偏振光转变为椭圆偏振光或圆偏振光，有助于结合第二偏振器中的偏振态形成线偏振光，继而发射至光电探测器，有助于光电探测器记录图像的分析、计算；所述第二偏振器设有第二偏振态，所述第二偏振态与所述第一偏振态接近正交，第二偏振态与第一偏振态的夹角为90°±Δ，Δ≤5°，形成量子弱测量光路，有助于被测光束的放大效应。优选的，所述相位补偿器为四分之一波片；优选的，所述第二偏振器为格兰激光偏振镜或偏振分光镜。所述光电探测器为电荷耦合元件或位置传感器或光电倍增管，用于接收和记录经偏振态选择器作用后的偏振光光斑图，有助于进一步计算、分析OAM光束重心位移的大小。一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量方法，包括：S1、发光装置发出光束至OAM光束产生器，所述OAM光束产生器接受光束并将光束转变为OAM光束，然后OAM光束发射至偏振态制备器；所述OAM光束经过偏振态制备器转变为线偏振光到达位移发生装置；S2、位移发生装置接收线偏振光并通过位移发生装置-空气界面反射至偏振态选择器，反射的线偏振光经偏振态选择器后到达光电探测器；S3、调节上述步骤中OAM光束重心位移测量装置产生的光路，使位移发生装置反射的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分，两个偏振态之间的夹角为90°±Δ，Δ不大于5°，此时第一偏振器处于角度第二偏振器角度为通过该步骤即可获得第一偏振器角度为第二偏振器角度为时的OAM光束重心位移，经过弱测量光路后，光束重心位移约被放大10000倍，此时即可直接通过光电探测器返回的光斑图进行第一偏振器角度为第二偏振器角度为时的OAM光束重心位移计算或简单测量。S4、在上述步骤的基础上，固定位移发生装置入射角度θ为0-90°中某一值，然后固定第二偏振器角度为并对第一偏振器进行调节使其角度为通过多次调节第一偏振器角度获得多个并通过光电探测器记录并存储每一个所对应的光斑图。在上述步骤的基础上，第一偏振态与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置，其特征在于，包括：发光装置，用于发出光束；OAM光束产生器，用于接收所述光束，并将其转变为OAM光束；偏振态制备器，用于接收所述OAM光束并将其转变为线偏振光；所述偏振态制备器包括第一偏振器；位移发生装置，用于接收所述线偏振光并对所述线偏振光进行反射，反射的偏振光带有第一偏振态；偏振态选择器，设有第二偏振态；所述偏振态选择器包括第二偏振器；所述偏振态选择器用于接收所述位移发生装置反射的偏振光，所述第二偏振态与所述第一偏振态形成量子弱测量光路，所述第二偏振态与第一偏振态的夹角为90°±Δ，Δ≤5°；光电探测器，用于接收和/或记录偏振态选择器作用后的偏振光。

【技术特征摘要】
1.一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置，其特征在于，包括：发光装置，用于发出光束；OAM光束产生器，用于接收所述光束，并将其转变为OAM光束；偏振态制备器，用于接收所述OAM光束并将其转变为线偏振光；所述偏振态制备器包括第一偏振器；位移发生装置，用于接收所述线偏振光并对所述线偏振光进行反射，反射的偏振光带有第一偏振态；偏振态选择器，设有第二偏振态；所述偏振态选择器包括第二偏振器；所述偏振态选择器用于接收所述位移发生装置反射的偏振光，所述第二偏振态与所述第一偏振态形成量子弱测量光路，所述第二偏振态与第一偏振态的夹角为90°±Δ，Δ≤5°；光电探测器，用于接收和/或记录偏振态选择器作用后的偏振光。2.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置，其特征在于，所述偏振态制备器还包括一个以上透镜组成的透镜组、光束能量调节器、光阑，所述光束能量调节器为二分之一玻片；所述第一偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜。3.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置，其特征在于，所述偏振态选择器还包括相位补偿器，所述相位补偿器为四分之一波片；所述第二偏振器为格兰激光偏振镜或偏振分光镜。4.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置，其特征在于，所述发光装置包括光源发生器、设置于光源发生器出射光路上的扩束器以及改变光线方向的光束变向装置；所述光源发生器为激光器或激光二极管或超辐射发光二极管或白光发生器或量子光源发生器；所述光束变向装置为反射镜或棱镜，用于改变光束方向。5.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置，其特征在于，所述光电探测器为电荷耦合元...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱文国，余健辉，陈哲，龙文进，郑华丹，唐洁媛，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44