一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置

1.本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置。


背景技术：

2.目前，轨道角动量光束及其应用是国内外研究的热点。1992年，荷兰物理学家l.allen等人理论证明了光子不但在其横截面内具有角向位相分布形式，而且每个光子携带大小为(l称为拓扑荷数)的轨道角动量(oam)。oam值与拓扑荷数成正比，理论上拓扑荷值可取到无穷多个，并且具有不同拓扑荷数的光束具有正交性，因此涡旋光束在增大通信系统容量、安全保密性上具有很大的应用价值。
3.涡旋光束特殊的空间结构和高维特性，使其在增加通信容量、提高通信安全性、精确光测量等方面都有广泛应用。随着对涡旋光束研究的深入，对其拓扑荷数的检测研究在各个应用领域有着重要的意义。
4.光与物质相互作用过程称之为原子相干，利用原子相干会产生很多有趣的物理过程，比如相干布居囚禁、电磁诱导透明(eit)等物理现象。正是因为原子介质其良好的量子相干性，使得光与原子相互作用的这种优越性无可替代，并且成为量子信息领域的研究热点。在非线性介质中研究涡旋光拓扑荷数的检测对光存储、光信息以及非线性光学领域有着重要的应用价值。
5.目前检测拓扑荷数的方法主要利用光的干涉和衍射原理，采用的装置主要有透镜组合、光栅、光阑、棱镜等光学元器件。例如，2010年hickmann等人利用三角空衍射图样检测拓扑荷数，2019年柯熙政团队提出利用光栅检测拓扑荷数。这些方法主要在自由空间中实现，但目前的检测装置普遍存在结构较为繁琐且灵活度不高的问题。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.本发明提供了一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置，包括第一偏振光产生单元、第一分束镜、涡旋光产生单元、第二偏振光产生单元、铷泡以及图像采集模块，其中，
8.所述第一偏振光产生单元用于产生第一偏振光；
9.所述第一分束镜用于对所述第一偏振光进行分束，产生经反射的第一路偏振光和经透射的第二路偏振光，所述第一路偏振光入射至所述铷泡，所述第二路偏振光入射至所述涡旋光产生单元；
10.所述涡旋光产生单元用于对所述第二路偏振光加载轨道角动量相位信息产生携带轨道角动量信息的涡旋光，并入射至所述铷泡；
11.所述第二偏振光产生单元用于产生第三路偏振光，所述第三路偏振光与所述第一
路偏振光同轴入射至所述铷泡中，所述第三路偏振光与所述第一路偏振光能够形成能级共振以产生电磁诱导感应透明窗口；
12.所述铷泡上设置有垂直于光轴方向的磁场，能够通过控制磁场强度调节所形成的光斑图像的旋转角度；
13.所述图像采集模块用于采集经所述铷泡产生的具有不同旋转角度的光斑图像。
14.在本发明的一个实施例中，所述第一偏振光产生单元包括沿光路依次设置的第一半导体激光器、第一光学隔离器、第一1/2玻片、第一1/4玻片和第一反射镜，其中，
15.所述第一半导体激光器用于发射波长为795nm的激光；
16.所述第一1/2玻片和所述第一1/4玻片用于对所述波长为795nm的激光进行偏振，得到第一偏振光；
17.所述第一反射镜用于将所述第一偏振光垂直入射到第一分束镜中。
18.在本发明的一个实施例中，所述涡旋光产生单元包括沿光路依次设置的第二反射镜、第三反射镜、空间光调制器和第四反射镜，其中，
19.所述第一分束镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜围成一个矩形，且所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜的反射面均与其入射方向呈45
°
；
20.所述空间光调制器设置在所述第三反射镜与所述第四反射镜之间，用于对所述第二路偏振光加载轨道角动量相位信息，产生携带轨道角动量信息的涡旋光，并且所述涡旋光经所述第四反射镜反射后与所述第一路偏振光同轴入射至所述铷泡中。
21.在本发明的一个实施例中，所述第二偏振光产生单元包括沿光路依次设置的第二半导体激光器、第二光学隔离器、第二分束镜、第五反射镜和第三分束镜，其中，
22.所述第二半导体激光器用于产生波长为762nm的激光；
23.所述第二分束镜用于对所述波长为762nm的激光进行分光和偏振；
24.所述第五反射镜用于将经所述第二分束镜分光和偏振后透射的光入射到所述第三分束镜中；
25.所述第三分束镜设置在所述第一分束镜与所述铷泡之间，用于将来自所述第五反射镜的光分光后形成第三路偏振光并入射至所述铷泡。
26.在本发明的一个实施例中，所述第一分束镜和所述第二分束镜均为偏振分光棱镜，所述第三分束镜为分光棱镜。
27.在本发明的一个实施例中，所述基于非线性介质的涡旋光拓扑荷数检测装置还包括加热模块，以对所述铷泡进行加热。
28.在本发明的一个实施例中，所述加热模块为缠绕在所述铷泡外周的加热带。
29.在本发明的一个实施例中，所述铷泡的外周缠绕有导电线圈，以在所述铷泡内产生垂直于激光入射方向的磁场。
30.在本发明的一个实施例中，所述铷泡为圆柱体玻璃容器，且所述第一路偏振光、携带轨道角动量信息的涡旋光以及所述第三路偏振光均沿所述圆柱体玻璃容器的轴向方向入射至所述铷泡中。
31.在本发明的一个实施例中，在所述第四反射镜与所述第一分束镜之间还设置有第二1/2玻片，在所述第三分束镜与所述铷泡之间还设置有第二1/4玻片。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
33.本发明的涡旋光拓扑荷数检测装置，将涡旋光通过铷原子介质，利用光与物质的相互作用原理，根据在磁场控制下的非线性作用过程，使得原来的光斑分裂成多个花瓣状图样，花瓣状图样的个数恰好是拓扑荷个数的2倍，从而可以检测涡旋光所携带的拓扑荷数，并且根据花瓣的旋转方向变化，还可以检测拓扑荷数的正负值，检测精度高，可以应用在量子通信领域。磁场既可以对光场的相对相位进行调控，也可以对系统的增益、折射率等性质进行操控。本发明通过磁场作用下涡旋光束在铷原子蒸汽中的旋转及分裂效应实现轨道角动量的精确检测。铷原子经济、环保，价格低廉，可降低装置的经济成本。
34.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
35.图1是本发明实施例提供的一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置的结构示意图；
36.图2是本发明实施例提供的一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置的尺寸标注图；
37.图3是本发明实施例提供的一种电磁诱导透明效应的原理示意图。
具体实施方式
38.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置进行详细说明。
39.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
40.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
41.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置的结构示意图。该涡旋光拓扑荷数检测装置包括第一偏振光产生单元、第一分束镜、涡旋光产生单元、第二偏振光产生单元、铷泡以及图像采集模块，其中，所述第一偏振光产生单元用于产生第一偏振光；所述第一分束镜用于对所述第一偏振光进行分束，产生经反射的第一路偏振光和经透射的第二路偏振光，所述第一路偏振光入射至所述铷泡，所述第二路偏振光入射至所述涡旋光产生单元；所述涡旋光产生单元用于对所述第二路偏振光加载轨道角动量相位信息产生携带轨道角动量信息的涡旋光，并入射至所述铷泡；所述第二偏振光产生单元用于产生第三路偏振光，所述第三路偏振光与所述第一路偏振光同轴入
射至所述铷泡中，所述第三路偏振光与所述第一路偏振光能够形成能级共振以产生电磁诱导感应透明窗口；所述铷泡上设置有垂直于光轴方向的磁场，能够通过控制磁场强度调节所形成的光斑图像的旋转角度；所述图像采集模块用于采集经所述铷泡产生的具有不同旋转角度的光斑图像。
42.具体地，所述第一偏振光产生单元包括沿光路依次设置的第一半导体激光器l1、第一光学隔离器s1、第一1/2玻片、第一1/4玻片和第一反射镜m1。第一半导体激光器l1用于发射波长为795nm的激光。在本实施例中，该第一半导体激光器l1为外腔式可调谐半导体激光器，用来产生线偏振光且波长、频率、功率可调。第一光学隔离器s1用来保护第一半导体激光器l1，使得激光通过隔离器后，后续光路反射回来的光被第一光学隔离器s1阻挡，不能反向进入第一半导体激光器l1。第一1/2玻片和第一1/4玻片用于对所述波长为795nm的激光进行偏振，得到第一偏振光。具体地，1/2玻片和1/4玻片能够产生垂直偏振光、水平偏振光及圆偏振光，用来调节激光的偏振形态。第一反射镜m1用于将所述第一偏振光垂直入射到第一分束镜p1中。
43.请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置的尺寸标注图。在本实施例中，第一半导体激光器l1与第一光学隔离器s1的间距为10cm，第一光学隔离器s1与第一1/2玻片的间距为10cm，第一1/2玻片与第一1/4玻片的间距为10cm，第一1/4玻片与第一反射镜m1的间距为20cm。第一分束镜p1为偏振分光棱镜(pbs)，该偏振分光棱镜分束时除了分配能量外，出射的两路光束一定是线偏振，且一束是平行线偏振，一束是垂直线偏振，两种线偏振方向相差90
°
。
44.进一步地，所述涡旋光产生单元包括沿光路依次设置的第二反射镜m2、第三反射镜m3、空间光调制器slm和第四反射镜m4。第一分束镜p1、第二反射镜m2、第三反射镜m3和第四反射镜m4围成一个矩形，且第二反射镜m2、第三反射镜m3和第四反射镜m4的反射面均与其入射方向呈45
°
。第二反射镜m2、第三反射镜m3和第四反射镜m4均是用于改变光路的方向。
45.空间光调制器slm设置在第三反射镜m3与第四反射镜m4之间，用于对经过第一分束镜p1后透射的第二路偏振光加载轨道角动量(oam)相位信息，产生携带轨道角动量信息的涡旋光。具体地，通过计算机控制以在空间光调制器slm上加载轨道角动量相位信息(不同的叉形图代表不同的拓扑荷数)，当第三反射镜m3反射的激光经过该空间光调制器后，可以产生不同阶数和模式的涡旋光。随后，所述涡旋光经第四反射镜m4反射后与所述第一路偏振光同轴入射至铷泡(rb cell)中。在本实施例中，在第四反射镜m4和第一分束镜p1之间还设置有第二1/2玻片，能够通过旋转其角度改变通过玻片的线偏振光束的强度。
46.进一步地，所述第二偏振光产生单元包括沿光路依次设置的第二半导体激光器l2、第二光学隔离器s2、第二分束镜p2、第五反射镜m5和第三分束镜p3。第二半导体激光器l2用于产生波长为762nm的激光。在本实施例中，第二半导体激光器l2为外腔式可调谐半导体激光器，用来产生线偏振光，并且波长、频率、功率可调。第二光学隔离器s2用来保护第二半导体激光器l2，使得激光通过隔离器后，后续光路反射回来的光被隔离器阻挡，不能反向进入第二半导体激光器l2。第二分束镜p2用于对所述波长为762nm的激光进行分光和偏振；第五反射镜m5用于将经第二分束镜p2分光和偏振后透射的光入射到第三分束镜p3中。
47.如图1所示，第三分束镜p3设置在第一分束镜p1与铷泡之间，用于将来自第五反射
镜m5的光分光反射后的光形成第三路偏振光并入射至所述铷泡。在本实施例中，在第三分束镜p3与铷泡之间还设置有第二1/4玻片，通过该第二1/4玻片，光束变为圆偏振光，用来研究信号在赛曼能级下，磁场对输出信号的调制作用。
48.第二分束镜p2为偏振分光棱镜，第三分束镜p3为分光棱镜(bs)。分光棱镜分束时只分能量，理想情况下出射的两路光偏振态还是原来的样子，对光强几乎无吸收。
49.本实施例的涡旋光拓扑荷数检测装置还包括加热模块，用于对所述铷泡进行加热，以使铷泡中的铷成为铷原子蒸汽，然后与入射的涡旋光进行光与物质相互作用。在本实施例中，所述加热模块为缠绕在铷泡外周的加热带或加热丝。可以通过一个直流可调压电源对所述加热带进行加热，增大电压，加热带温度越高，等待热量传导稳定后可以用电子温度计进行温度测量。铷泡用加热带进行温度的精确控制，优选地，将加热温度控制在70～80℃。
50.优选地，所述铷泡为圆柱体玻璃容器，圆柱体长度为10cm，底面半径1cm，且所述第一路偏振光、携带轨道角动量信息的涡旋光以及所述第三路偏振光均沿所述圆柱体玻璃容器的轴向方向入射至所述铷泡中。
51.进一步地，在所述铷泡外围加载磁场，可以利用螺旋缠绕的电场产生磁场，这样对电流的精确控制可以进一步对磁场的大小和方向精确控制。本实施例的铷泡外周缠绕有导电线圈，以在所述铷泡内产生垂直于激光入射方向的磁场。
52.本实施例的涡旋光拓扑荷数检测装置进行涡旋光拓扑荷数检测的主要原理首先是在λ形三能级结构中由795nm和762nm激光与能级共振，产生eit效应。另外通过加载磁场对eit窗口中的空间光信号进行调控。
53.在该涡旋光拓扑荷数检测装置的具体运行过程中，第一半导体激光器l1发射波长为795nm的激光，通过第一1/2玻片和第一1/4玻片控制该激光的偏振态，转动第一1/2玻片和第一1/4玻片可以使激光的偏振转变为垂直偏振、平行偏振、圆偏振等偏振态，形成第一偏振光，随后所述第一偏振光经过第一反射镜m1后垂直入射到第一分束镜p1中进行分光，分光后一部分光被反射，而另一部分光透射，反射后的水平偏振光束进入铷泡，与此同时，第二半导体激光器l2产生的波长为762nm的激光经过第二分束镜p2的水平偏振后经第五反射镜m5反射进入第三分束镜p3，经过第三分束镜p3分束后与上述795nm的水平偏振光束重合共同射入铷泡，此时由于能级与这两束激光共振，产生了电磁诱导感应透明(eit，electromagnetically induced transparency)效应。
54.而795nm波长激光在第一分束镜p1分光透射后的光束经过三个反射镜(m2、m3、m4)反射再经过第一分束镜p1透射后与上述水平偏振光束重合并进入铷泡。在第三反射镜m3与第四反射镜m4之间加载空间光调制器slm，使得此光路变为携带轨道角动量信息的光路，两个光路经过铷泡后，通过图像采集模块采集光斑图像，可以对轨道角动量模式进行鉴别。
55.需要说明的是，进入铷泡中的两个795nm光路需要进行光路调整，保证有恒定的光程差，意味着两束光路光程基本相近，调整光路的重合度，利用近场远场光路调节其中一个光路与另外一个光路重合。其次调节两个光路的光场强度，调整为光场强度基本相同。
56.具体地，在磁场作用下检测涡旋光束的拓扑荷数是在铷原子三能级系统中进行，基于光与物质相互作用原理的电磁诱导透明(eit)效应，利用涡旋光束在非线性介质中的轨道角动量的传输特性。当携带轨道角动量的拉盖尔-高斯光束(lg)作为探测场进入到铷
泡中时，lg光束与铷原子蒸汽作用，此时因受磁场作用(磁场方向垂直与激光传播方向，磁场强度为50g)，铷原子三能级系统能级会发生分裂，从而导致原来的单个电磁诱导透明(eit)窗口会分裂成多个小的透明窗口，则在eit窗口观察探测光，原来的光斑就会分裂成多个花瓣状图样。这是由于塞曼效应，能级发生分裂，导致原来的一个型结构分裂成多个平行的子系统，因此观测到的透明窗口为多个互相平行的子系统的电磁诱导透明叠加而成，其原理过程如图3所示。
57.在本实施例中，磁场既可以对光场的相对相位进行调控，也可以对系统的增益、折射率等性质进行操控。通过添加直流磁场，可以利用电磁诱导透明(eit)效应分裂成多个透明窗口，在所述图像采集模块接收到的光斑信息为花瓣状，花瓣的个数为涡旋光拓扑荷数的2倍。利用磁场控制轨道角动量光束的旋转角度检测携带轨道角动量光束的模式，在磁场作用下涡旋光发生旋转和分裂效应，这种空间强度分布与涡旋光束的拓扑荷数一一对应，从而可以对拓扑荷数进行精确检测和鉴别。在本实施例中，所述图像采集模块为ccd相机。
58.进一步地，通过ccd采集到的光斑图像的旋转角度对应磁场变化强度，当改变电流强度，磁场大小发生变化，而磁场强度的变化引起光斑图像旋转。采集到的光强有规律的发生了光斑分裂，分裂的个数恰好是拓扑荷个数的2倍，从而可以通过本实验装置检测涡旋光所携带的拓扑荷数，并且根据花瓣的旋转方向变化，还可以检测拓扑荷数的正负值。
59.本实施例的涡旋光拓扑荷数检测装置，将涡旋光通过铷原子介质，利用光与物质的相互作用原理，根据在磁场控制下的非线性作用过程，使得原来的光斑分裂成多个花瓣状图样，花瓣状图样的个数恰好是拓扑荷个数的2倍，从而可以检测涡旋光所携带的拓扑荷数，并且根据花瓣的旋转方向变化，还可以检测拓扑荷数的正负值，检测精度高，可以应用在量子通讯领域。磁场既可以对光场的相对相位进行调控，也可以对系统的增益、折射率等性质进行操控。本发明通过磁场作用下涡旋光束在铷原子蒸汽中的旋转及分裂效应实现轨道角动量的精确检测。铷原子经济、环保，价格低廉，可降低装置的经济成本。
60.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。