一種基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的軌道角動(dòng)量模式分析儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光束的空間模式測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于旋轉(zhuǎn)多普勒 效應(yīng)的軌道角動(dòng)量模式分析儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum, 0ΑΜ)模式是指其波前包含一個(gè)螺旋相 位結(jié)構(gòu)的光束，螺旋相位表達(dá)式為exp(il Θ )，其中，Θ是角坐標(biāo)，1是方位角指數(shù)，定義為 OAM光束的拓?fù)浜蓴?shù)（Topological Charge，TC)。這種光束的每個(gè)光子帶有OAM的量為III (H:是普朗克常數(shù)除以2 π )。OAM光束具有廣泛的應(yīng)用，比如光學(xué)顯微鏡，光學(xué)微觀粒子操 縱，量子通信，光學(xué)通信，測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度等等。明顯地，TC是分析OAM光束的一個(gè)基本物理 量。
[0003] 在基于OAM的光學(xué)系統(tǒng)中，區(qū)分不同的OAM模式或者測(cè)量TC的能力是至關(guān)重 要的。一個(gè)常用的方法是將這些未知的OAM模式用一個(gè)空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM)逐一的轉(zhuǎn)換成基模，經(jīng)過(guò)濾波后測(cè)量功率。這種方法是耗時(shí)的，測(cè)量也很復(fù) 雜，因?yàn)楫?dāng)把每個(gè)模式轉(zhuǎn)換成基模時(shí)，SLM都需要重新設(shè)置而且空間濾波在實(shí)際測(cè)量中會(huì)帶 來(lái)誤差。另一種方法是將混合的OAM模式分離到不同的空間位置，然后在各個(gè)位置測(cè)量其 功率，比如笛卡爾坐標(biāo)到極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換法，基于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的干涉法。對(duì)于這些OAM分類(lèi)器， 在有限的空間很難測(cè)量大量的OAM模式。還有一些其他的方法報(bào)道，比如平面波干涉法，各 種孔徑的衍射法，這些方法都只能測(cè)量單個(gè)OAM模式。而且，上述所有方法，都不能測(cè)量OAM 模式的相對(duì)相位。類(lèi)似于利用光譜分析儀來(lái)分析頻率特性，現(xiàn)在急需發(fā)展一種OAM模式分 析儀，能夠?qū)崟r(shí)精確地測(cè)量OAM模式的分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的 軌道角動(dòng)量模式分析儀，既能測(cè)量各個(gè)OAM模式的幅度分布，又能測(cè)量其相位分布，且只需 一次或兩次測(cè)量，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種軌道角動(dòng)量模式分析儀，其特征在于，包括激 光器、空間相位板、分束器、旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器、模式濾波器和光強(qiáng)探測(cè)裝置；所述空間 相位板和所述分束器依次設(shè)置在所述激光器的輸出光路上，所述空間相位板用于將所述激 光器發(fā)出的激光調(diào)制成預(yù)定的OAM模式，得到參考光，所述分束器用于將參考光和外界輸 入的待測(cè)光合并成單束光輸出，所述旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器設(shè)置在所述分束器的輸出光路 上，用于將所述分束器輸出的單束光中不同的OAM模式轉(zhuǎn)換成基模，并且產(chǎn)生不同的多普 勒頻移，輸出散射光，所述模式濾波器設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器的輸出光路上，用 于從散射光中濾出基模，所述光強(qiáng)探測(cè)裝置連接所述模式濾波器，用于探測(cè)基模光強(qiáng)。
[0006] 優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器包括具有粗糙表面的平板，所述平板設(shè)置在 所述分束器的輸出光路上，能在外力驅(qū)動(dòng)下勻速旋轉(zhuǎn)。
[0007] 優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器包括能加載勻速旋轉(zhuǎn)的相位圖案的液晶顯示 屏，所述液晶顯示屏設(shè)置在所述分束器的輸出光路上。
[0008] 優(yōu)選地，所述模式濾波器采用小孔濾波或單模光纖濾波。
[0009] 優(yōu)選地，所述模式濾波器采用單模光纖濾波，包括聚焦透鏡和單模光纖，其中，所 述聚焦透鏡用于將所述旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器輸出的光束耦合到所述單模光纖中。
[0010] 優(yōu)選地，所述光強(qiáng)探測(cè)裝置為光電探測(cè)器。
[0011] 優(yōu)選地，所述分束器為平板光分束器、立方體光分束器或薄膜分光器。
[0012] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：利用旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器將每個(gè)入射的OAM模式以相同的效率轉(zhuǎn)換成基模，將這些 基模濾出后用光電探測(cè)器測(cè)量其光強(qiáng)，既能測(cè)量各個(gè)OAM模式的幅度分布，又能測(cè)量其相 位分布，且只需一次或兩次測(cè)量，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。而傳統(tǒng)方法只能測(cè)量幅度分布，且需 要逐一將每個(gè)OAM模式轉(zhuǎn)換成基模后測(cè)量其功率，操作復(fù)雜。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的軌道角動(dòng)量模式分析儀的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0014] 圖2是待測(cè)光中的OAM模式與軌道角動(dòng)量模式分析儀的輸出電信號(hào)的轉(zhuǎn)換關(guān)系， 其中，（a)為0AM-4的螺旋相位結(jié)構(gòu)分布，（b)為0AM-4的幅度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，（c)為 0AM-4轉(zhuǎn)換成的輸出電信號(hào)，（d)為OAMO的螺旋相位結(jié)構(gòu)分布，（e)為OAMO的幅度隨時(shí)間 的變化曲線(xiàn)，（f)為OAMO轉(zhuǎn)換成的輸出電信號(hào)，（g)為0AM4的螺旋相位結(jié)構(gòu)分布，（h)為 0AM4的幅度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，（i)為0AM4轉(zhuǎn)換成的輸出電信號(hào)；
[0015] 圖3是軌道角動(dòng)量模式分析儀的輸出信號(hào)的仿真圖，其中，（a)為光電探測(cè)器接收 到的電信號(hào)，（b)為光電探測(cè)器接收到的電信號(hào)的傅里葉譜線(xiàn)；
[0016] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的軌道角動(dòng)量模式分析儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中，（a)為輸入的待 測(cè)光的OAM模式分布，（b)為引入?yún)⒖脊?AM-10后光電探測(cè)器探測(cè)到的電信號(hào)，（c)為（b) 的電信號(hào)的傅里葉譜線(xiàn)，（d)為增大參考光的功率后進(jìn)行第二次測(cè)量時(shí)光電探測(cè)器接收到 的電信號(hào)，（e)為（d)的電信號(hào)的傅里葉譜線(xiàn)，（f)為兩次測(cè)量的電信號(hào)相減后得到的傅里 葉譜線(xiàn)。
[0017] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1_激光器， 2-空間相位板，3-分束器，4-旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器，5-模式濾波器，6-光電探測(cè)器，7-聚 焦透鏡，8-單模光纖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0019] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的軌道角動(dòng)量模式分析儀包 括：激光器1、空間相位板2、分束器3、旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器4、模式濾波器5和光電探測(cè) 器6?？臻g相位板2和分束器3依次設(shè)置在激光器1的輸出光路上，空間相位板2用于將激 光器1發(fā)出的激光調(diào)制成預(yù)定的OAM模式，得到參考光，分束器3用于將參考光和外界輸入 的待測(cè)光合并成單束光輸出，旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器4設(shè)置在分束器3的輸出光路上，用于 將分束器3輸出的單束光中不同的OAM模式等效率地轉(zhuǎn)換成基模，并且產(chǎn)生不同的多普勒 頻移，輸出散射光，模式濾波器5設(shè)置在旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器4的輸出光路上，用于從散 射光中濾出基模，光電探測(cè)器6連接模式濾波器5,用于探測(cè)基模光強(qiáng)。對(duì)光電探測(cè)器6探 測(cè)的光強(qiáng)做傅里葉變換得到待測(cè)光的OAM譜，其中不僅包含幅度信息還包含模式的相位信 息。
[0020] 其中，空間相位板2的作用是給光束加載一個(gè)螺旋相位因子eXp(il Θ)得到參考 光，其中，Θ是角坐標(biāo)，1是方位角指數(shù)，即調(diào)制后輸出的參考光的TC，在具體設(shè)計(jì)者，該參 考光的TC是固定不變的。光電探測(cè)器7是用來(lái)探測(cè)光強(qiáng)的，也可以用其他器件替代。分束 器3可以為平板光分束器、立方體光分束器、薄膜分光器。
[0021] 旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器4輸出是雜亂的散射光，散射光中包含了多種軌道角動(dòng)量 模式，這些模式是由入射光的軌道角動(dòng)量模式經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)面調(diào)制后轉(zhuǎn)換而來(lái)，模式轉(zhuǎn)換會(huì)對(duì) 應(yīng)產(chǎn)生頻移，頻移量正比于模式轉(zhuǎn)換的幅度。該旋轉(zhuǎn)面可以是反射型表面，也可以是透射型 表面。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器4包括具有粗糙表面的平板，能在 外力（如電機(jī)）驅(qū)動(dòng)下勻速旋轉(zhuǎn)，不同的OAM模式入射到該表面，能被等效率地轉(zhuǎn)換成基 模，并且轉(zhuǎn)換后的基模具有不同的頻移，頻移量正比于輸入OAM模式的TC。在本發(fā)明的另一 個(gè)實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器4包括能加載相位圖案的液晶顯示屏，通過(guò)使相位圖 案勻速旋轉(zhuǎn)，將入射到顯示屏的不同的OAM模式等效率地轉(zhuǎn)換成基模。
[0022] 模式濾波器5具有很多實(shí)現(xiàn)方法，比如小孔濾波，單模光纖濾波等。圖1所示的是 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的單模光纖濾波結(jié)構(gòu)，包括聚焦透鏡7和單模光纖8,其中，聚焦透鏡7 將旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)發(fā)生器4輸出的光束耦合到單模光纖8中，只有基模才能夠從單模光纖 8的輸出口輸出。
[0023] 圖2舉例說(shuō)明了待測(cè)光中的OAM模式跟輸出電信號(hào)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。待測(cè)光包含了很 多未知的模式，假設(shè)包含_4、0和4的OAM模式，分別記為OAM-4、OAMO和0AM4。圖2 (a)、 (d) 和（g)分別展示了這三種OAM模式的波前分布，可以看出OAM