本發(fā)明涉及基于光子軌道角動(dòng)量的超靈敏角度探測裝置及方法。

背景技術(shù)：

非接觸式精確角度探測是現(xiàn)代光學(xué)測量領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題。目前最方便的方法是基于偏振及馬呂斯定律的測量技術(shù)。該方法的精度受限于經(jīng)典的散粒噪聲極限(N是累計(jì)探測的光子數(shù))，致使其無法很好的滿足高精度角度旋轉(zhuǎn)探測的要求。因此目前急需一種超靈敏度的旋轉(zhuǎn)角度測量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)受限于經(jīng)典的散粒噪聲極限導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)角度探測精度低的問題，而提出的一種基于光子軌道角動(dòng)量的超靈敏角度探測裝置及方法。

一種基于光子軌道角動(dòng)量的超靈敏角度探測裝置包括：單光子源、發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)和接收探測系統(tǒng)；

所述發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)由1/4波片、第一1/2波片、第一q波片和第二1/2波片構(gòu)成；

所述接收探測系統(tǒng)由第三1/2波片、第二q波片、偏振分光棱鏡、第一APD探測器和第二APD探測器構(gòu)成；

單光子源產(chǎn)生的單光子信號依次經(jīng)過1/4波片和第一1/2波片調(diào)制為純偏振態(tài)的線偏振光子，純偏振態(tài)的線偏振光子經(jīng)過第一q波片調(diào)制為具有自旋-軌道混合角動(dòng)量的光子，具有自旋-軌道混合角動(dòng)量的光子經(jīng)過第二1/2波片對偏振進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過第二1/2波片調(diào)制后的光子從發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)出射到達(dá)接收探測系統(tǒng)，進(jìn)入接收探測系統(tǒng)的具有自旋-軌道混合角動(dòng)量的光子依次經(jīng)過第三1/2波片和第二q波片調(diào)節(jié)后再次變?yōu)榧兤駪B(tài)的線偏振光子，純偏振態(tài)的線偏振光子經(jīng)過偏振分光棱鏡進(jìn)行偏振分光后分為兩束光子，其中一束光子由第一APD探測器探測，另一束光子由第二APD探測器探測。

一種基于所述裝置的基于光子軌道角動(dòng)量的超靈敏角度探測方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟一：獲得單光子源產(chǎn)生的單光子信號經(jīng)過發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的光子波函數(shù)為：

$|{\mathrm{\Ψ}}_G^C\>=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|1{\>}_{R,-2q}+\left|1{\>}_{L,2q}\right)---\left(1\right)$

R為右旋圓偏振態(tài)，L為左旋圓偏振態(tài)；±2q為軌道角動(dòng)量量子數(shù)；

步驟二：步驟一中經(jīng)過發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的光子到達(dá)接收探測系統(tǒng)后，經(jīng)過第三1/2波片和第二q波片的調(diào)制變?yōu)榧兤駪B(tài)的線偏振光，根據(jù)公式(1)得到純偏振態(tài)的線偏振光波函數(shù)為：

$|{\mathrm{\Ψ}}_G^C\left(\mathrm{\θ}\right)\>=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{im\mathrm{\θ}}\right|1{\>}_{R,0}+e^{-im\mathrm{\θ}}\left|1{\>}_{L,0}\right)---\left(2\right)$

其中mθ的含義為線偏振光的偏振方向與探測系統(tǒng)參考坐標(biāo)系X軸方向夾角，m為自旋-軌道混合角動(dòng)量量子數(shù)，m＝2q+1，e為指數(shù)，i為虛數(shù)單位；

步驟三：步驟二中經(jīng)過第三1/2波片和第二q波片調(diào)節(jié)后的線偏振光，經(jīng)過偏振分光棱鏡分光后，由第一APD探測器和第二APD探測器探測，根據(jù)馬呂斯定律，第一APD探測器探測到光子的概率為：

$P_G^C\left(H\right|\mathrm{\θ})={\cos }^2\left(m\mathrm{\θ}\right)---\left(3\right)$

H為水平方向線偏振態(tài)，利用公式(3)及實(shí)際探測到的概率值解算夾角θ。

發(fā)明效果：

本發(fā)明利用q波片產(chǎn)生總角動(dòng)量量子數(shù)為m的自旋-軌道角動(dòng)量混合態(tài)作為“光學(xué)齒輪”，可以將待測機(jī)械旋轉(zhuǎn)θ放大m倍體現(xiàn)在偏振方向旋轉(zhuǎn)角度上，即該方法利用單光子即可達(dá)到其他量子探測策略利用m個(gè)光子進(jìn)行探測時(shí)的探測精度，而且受光子耗散的影響很小。然后再根據(jù)馬呂斯定律利用偏振分光棱鏡后放置的APD探測器探測到光子的概率來推算θ。本發(fā)明就目前能達(dá)到的最大m＝101而言，可以穩(wěn)定的將原有探測靈敏度提升兩個(gè)數(shù)量級，將角度測量靈敏度提高到10^-6度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明探測方法示意圖；

圖2為發(fā)射及接收系統(tǒng)參考系圖；

圖3為探測結(jié)果圖；

圖4為放大后的探測結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：如圖1所示，一種基于光子軌道角動(dòng)量的超靈敏角度探測裝置包括：單光子源1、發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)11和接收探測系統(tǒng)12；

所述發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)11由1/4波片2、第一1/2波片3、第一q波片4和第二1/2波片5構(gòu)成；

所述接收探測系統(tǒng)12由第三1/2波片6、第二q波片7、偏振分光棱鏡8、第一APD探測器9和第二APD探測器10構(gòu)成；

單光子源1產(chǎn)生的單光子信號依次經(jīng)過1/4波片2和第一1/2波片3調(diào)制為(偏振方向可控的)純偏振態(tài)(只有自旋角動(dòng)量)的線偏振光子，純偏振態(tài)的線偏振光子經(jīng)過第一q波片4調(diào)制為具有自旋-軌道混合角動(dòng)量的光子(態(tài))，具有自旋-軌道混合角動(dòng)量的光子經(jīng)過第二1/2波片5對偏振進(jìn)行調(diào)試(使光子所具有的總角動(dòng)量量子數(shù)m達(dá)到最大而出射)，經(jīng)過第二1/2波片5調(diào)制后的光子從發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)11出射到達(dá)接收探測系統(tǒng)12，進(jìn)入接收探測系統(tǒng)12的具有自旋-軌道混合角動(dòng)量的光子依次經(jīng)過第三1/2波片6和第二q波片7解調(diào)后再次變?yōu)榧兤駪B(tài)的線偏振光子，純偏振態(tài)的線偏振光子經(jīng)過偏振分光棱鏡8進(jìn)行偏振分光后分為兩束光子，其中一束光子由第一APD探測器9探測(響應(yīng))，另一束光子由第二APD探測器10探測(響應(yīng))。

光子到達(dá)接收探測系統(tǒng)12后，因?yàn)閰⒖甲鴺?biāo)系發(fā)生改變，從接收系統(tǒng)來看，光子相當(dāng)于攜帶了發(fā)射及接收系統(tǒng)間的角度差信息，經(jīng)與發(fā)射系統(tǒng)對稱的第三1/2波片6及第二q波片7解調(diào)后，自旋-軌道角動(dòng)量混合態(tài)重新變?yōu)榧兤駪B(tài)的線偏振光，角度差信息將具體表現(xiàn)在偏振方向的旋轉(zhuǎn)上，只不過偏振方向的旋轉(zhuǎn)角度是待測角度θ的m倍。此時(shí)光子經(jīng)過偏振分光棱鏡8進(jìn)行偏振分光而被兩個(gè)APD探測器探測響應(yīng)，根據(jù)兩個(gè)APD處響應(yīng)到光子的概率，利用馬呂斯定律即可解算出待測角度θ。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)11和接收探測系統(tǒng)12的參考坐標(biāo)系存在夾角θ，如圖2所示。

發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)11和接收探測系統(tǒng)12固定在兩塊不同的光具座上且光軸重合。他們的參考坐標(biāo)系都以光軸方向?yàn)閆軸，垂直于光軸且平行于各自光具座平面的方向?yàn)閄軸，垂直與光軸及各自光具座平面的方向?yàn)閅軸。由于發(fā)射系統(tǒng)相對于接收系統(tǒng)可以沿光軸旋轉(zhuǎn)任意角度θ，因此兩者的參考坐標(biāo)系也將存在夾角θ。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：基于光子軌道角動(dòng)量的超靈敏角度探測方法包括以下步驟：

步驟一：獲得單光子源1產(chǎn)生的單光子信號經(jīng)過發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)10調(diào)節(jié)后的光子波函數(shù)為：

$|{\mathrm{\Ψ}}_G^C\>=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|1{\>}_{R,-2q}+\left|1{\>}_{L,2q}\right)---\left(1\right)$

其中|n>_x為在x模式上有n的光子的態(tài)，x＝H,R或L，H,R和L分別代表水平方向線偏、右旋和左旋圓偏模式；R為右旋圓偏振態(tài)，L為左旋圓偏振態(tài)，H為水平方向線偏振態(tài)；±2q為軌道角動(dòng)量量子數(shù)；

步驟二：步驟一中經(jīng)過發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)10調(diào)節(jié)后的光子到達(dá)接收探測系統(tǒng)11后，經(jīng)過第三1/2波片6和第二q波片7的調(diào)制變?yōu)榧兤駪B(tài)的線偏振光，根據(jù)公式(1)得到純偏振態(tài)的線偏振光波函數(shù)為：

$|{\mathrm{\Ψ}}_G^C\left(\mathrm{\θ}\right)\>=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{im\mathrm{\θ}}\right|1{\>}_{R,0}+e^{-im\mathrm{\θ}}\left|1{\>}_{L,0}\right)---\left(2\right)$

其中mθ的含義為線偏振光的偏振方向與探測系統(tǒng)參考坐標(biāo)系X軸方向夾角，m為自旋-軌道混合角動(dòng)量量子數(shù)，m＝2q+1，e為指數(shù)，i為虛數(shù)單位；

該線偏振光的偏振方向與探測系統(tǒng)的水平方向夾角為mθ。這就是“光學(xué)齒輪”效應(yīng)，可以將待測機(jī)械旋轉(zhuǎn)θ放大m倍而體現(xiàn)在偏振方向的旋轉(zhuǎn)上。只需要經(jīng)過偏振分光棱鏡分光，根據(jù)馬呂斯定律即可知水平透振端口處放置的APD探測到光子的概率為公式(3)。

步驟三：步驟二中經(jīng)過第三1/2波片6和第二q波片7調(diào)節(jié)后的線偏振光，經(jīng)過偏振分光棱鏡8分光后，由第一APD探測器9和第二APD探測器10探測，根據(jù)馬呂斯定律，其中第一APD探測器9探測到光子的概率為(第一APD探測器9和第二APD探測器10探測的概率相加等于1)：

$P_G^C\left(H\right|\mathrm{\θ})={\cos }^2\left(m\mathrm{\θ}\right)---\left(3\right)$

H為水平方向線偏振態(tài)，利用公式(3)及實(shí)際探測到的概率值可解算夾角θ。

兩系統(tǒng)的參考坐標(biāo)系夾角產(chǎn)生于發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)沿光軸旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度θ，該角度為本發(fā)明的探測對象。

為了探測該概率值，若每次采用n個(gè)光子進(jìn)行探測，重復(fù)v次，則θ的統(tǒng)計(jì)誤差大小為公式(4)。

發(fā)射系統(tǒng)制備具有自旋-軌道混合角動(dòng)量的光子態(tài)作為“光學(xué)齒輪”，該“光學(xué)齒輪”的傳動(dòng)比為該態(tài)所具有總角動(dòng)量m。接收系統(tǒng)對該態(tài)進(jìn)行解調(diào)即可將待測角度θ放大m倍體現(xiàn)在偏振方向的旋轉(zhuǎn)上。然后根據(jù)馬呂斯定理可知，偏振分光棱鏡水平透振端口處放置的APD探測到光子的概率為cos²mθ。根據(jù)該表達(dá)式及實(shí)際該端口探測到光子的概率即可解算出待測角度θ。

利用發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)首先采用特殊液晶器件q波片在只具有自旋角動(dòng)量的純偏振態(tài)光子上附加大小為2q的軌道角動(dòng)量。然后再通過1/2波片調(diào)制自旋角動(dòng)量的方向與軌道角動(dòng)量一致而使得光子角動(dòng)量量子數(shù)達(dá)到最大值m＝2q+1。解調(diào)過程與調(diào)制過程對稱，光子到達(dá)接收探測系統(tǒng)后依次經(jīng)過1/2波片及q波片而變回純線偏振光，偏振方向旋轉(zhuǎn)mθ角度。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三不同的是：所述步驟一中獲得單光子源1產(chǎn)生的單光子信號經(jīng)過發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)10調(diào)節(jié)后的光子波函數(shù)的具體過程為：

單光子源1產(chǎn)生的單光子信號經(jīng)過1/4波片2和第一1/2波片3調(diào)制為線偏振光子，波函數(shù)為：

$|{\mathrm{\Ψ}}^C\>=|1{\>}_H\≡(1/\sqrt{2})\left(\right|1{\>}_R+\left|1{\>}_L\right)---\left(5\right)$

線偏振光經(jīng)過第一q波片4進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，為具有自旋及軌道角動(dòng)量的光子的產(chǎn)生算符，下標(biāo)0及±q代表軌道角動(dòng)量量子數(shù)；其中，分別為不帶軌道角動(dòng)量的右旋光子、角動(dòng)量量子數(shù)為-2q的右旋光子、不帶軌道角動(dòng)量的左旋光子、角動(dòng)量量子數(shù)為2q的左旋光子的產(chǎn)生算符。經(jīng)過第一q波片4后波函數(shù)變?yōu)樵俳?jīng)過第二1/2波片5進(jìn)行偏振調(diào)制，得到單光子源1產(chǎn)生的單光子信號經(jīng)過發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)10調(diào)節(jié)后的光子波函數(shù)。

該單光子態(tài)是兩角動(dòng)量本征態(tài)的疊加態(tài)，這兩個(gè)角動(dòng)量本征態(tài)的角動(dòng)量量子數(shù)都為m＝2q+1，方向相反。如果不加1/2波片，則m＝2q-1。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式三相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三或四不同的是：所述步驟二中得到純偏振態(tài)的線偏振光波函數(shù)的具體過程為：

光子到達(dá)接收探測系統(tǒng)12后，由于發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)(11)和接收探測系統(tǒng)(12)的參考坐標(biāo)系存在夾角θ，所以在接收探測系統(tǒng)12參考坐標(biāo)系下的波函數(shù)由一個(gè)幾何旋轉(zhuǎn)算符作用在公式(1)的波函數(shù)上獲得：

$|{\mathrm{\Ψ}}_G^C\left(\mathrm{\θ}\right)\>=1/\sqrt{2}\left(e^{im\mathrm{\θ}}\right|1{\>}_{R,-2q}+e^{-im\mathrm{\θ}}\left|1{\>}_{L,2q}\right)---\left(6\right)$

經(jīng)過第三1/2波片6和第二q波片7的(與調(diào)制過程對稱的)調(diào)制變?yōu)榧兤駪B(tài)的線偏振光，得到公式(2)所示的波函數(shù)。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式三或四相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三至五之一不同的是：所述步驟三中夾角θ的統(tǒng)計(jì)誤差為：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\≥{\[2m\sqrt{vn}\]}^{-1}---\left(4\right)$

其中n為參與探測的光子個(gè)數(shù)，v為重復(fù)測量次數(shù)。

公式(4)中分母的m說明本發(fā)明提出的“光學(xué)齒輪”角度放大效應(yīng)可以使測量誤差縮小為不放大情況的1/m而提高探測的靈敏度。如圖3和圖4所示的探測結(jié)果，隨著待測角度θ改變，兩個(gè)探測器處探測到光子的概率呈周期性變化，圖3為不放大測量結(jié)果，圖3為利用“光學(xué)齒輪”的放大測量結(jié)果?？梢姺糯鬁y量時(shí)概率變化周期遠(yuǎn)小于不放大的情況，因此放大測量可以分辨更小的角度變化。

受限于器件原因，目前的q波片q參數(shù)最大可達(dá)50，對應(yīng)m＝101。因此若結(jié)合本發(fā)明所提出的“光學(xué)齒輪”放大效應(yīng)及現(xiàn)有的基于偏振的角度測量方法，可以穩(wěn)定的將角度探測靈敏度提高2個(gè)數(shù)量級。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式三至五之一相同。

現(xiàn)有光學(xué)角度測量領(lǐng)域中，由于探測系統(tǒng)能分辨的最小角度變化取決于該系統(tǒng)的角度探測不確定度，所以角度探測的不確定度是衡量角度探測靈敏度的重要指標(biāo)，也會(huì)把探測不確定度直接稱為探測靈敏度。傳統(tǒng)的基于馬呂斯定律的方案的角度探測不確定度滿足以下不等式

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\≥1/\sqrt{N}---\left(7\right)$

其中N為參與探測的光子個(gè)數(shù)。對于光源功率及探測程序都固定的探測系統(tǒng)，其所能達(dá)到的最小角度探測不確定度由(5)式確定，所以傳統(tǒng)光學(xué)角度測量系統(tǒng)的角度探測靈敏度為本發(fā)明的方案角度探測不確定度由(4)式給出，因而角度探測的靈敏度為想比傳統(tǒng)探測系統(tǒng)，靈敏度提高了2m倍，所以相對于現(xiàn)有探測技術(shù)，具有的超靈敏特性。

實(shí)施例一：

本發(fā)明實(shí)施過程中，固定調(diào)制發(fā)射系統(tǒng)，接收探測系統(tǒng)由電機(jī)帶動(dòng)沿光軸方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。q波片為液晶器件，由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)使得液晶分子按一定規(guī)律排列而具有不同q值。q越大則液晶排布的空間頻率越高，對驅(qū)動(dòng)電路的要求也就越高。單光子源以一定頻率發(fā)射單光子信號，以固定時(shí)間間隔τ內(nèi)的APD光子計(jì)數(shù)信息求光子從水平或豎直透振端口出射的概率而完成一次測量。每個(gè)角度重復(fù)測v次求平均值。探測結(jié)果如圖3和圖4所示，圖中還以圖3畫出不放大測量時(shí)(經(jīng)典馬呂斯定律探測方法)的概率變化曲線作為對比。可以看出本方法隨著m角動(dòng)量量子數(shù)的增加，可以實(shí)現(xiàn)超高分辨率超高靈敏度的角度測量。

1/4波片及1/2波片為Thorlabs公司型號分別為WPQ10ME-532及WPH10ME-532的產(chǎn)品。

q波片原理上為為厚度5-10μm厚的液晶薄膜，其中液晶分子按一定的方式排布形成q值不同的q波片，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中可采用日本濱松公司產(chǎn)的型號為X10468-04的硅上液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)。