基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法

1.本发明涉及量子光学技术领域，涉及一种基于量子弱测量的轨道角动量光束测量方法，利用量子弱测量微分技术，根据出射光场所得到光场的微分分布实现对轨道角动量光束检测和角量子数的测量。轨道角动量的存在，提供了更高的自由度以提高光通信的性能，具有良好的信息传播能力，可适用于光通信、传输和操纵等许多领域。


背景技术：

2.自allen及其同事发表开创性论文以来，携带轨道角动量(oam)的涡旋光束在光通信、传输和操纵等许多领域都有令人印象深刻的表现。oam提供了更高的自由度，以增强光通信的能力。涡旋光束与传统的高斯光束相比在自由空间中传播时表现出了更强的抗扰动能力。具有上述特性的涡旋光束表现出了良好的信息传播能力。但由于传输中oam状态依旧会受到扰动，这使得接收端oam检测较为困难。为了利用oam探测光束，研究者们提出了许多测量oam的方法。基于实验数据评估、涡束诱导的间接探测和利用全息技术进行的波束恢复是oam探测的三种主要方法。这三类中具有代表性的检测工作，wang等人提出了一种名为roamn-cnn的卷积神经网络，从散斑图中识别两个正交极化涡旋光束的oam。genevet等人提出了一种基于全息原理的方法，利用等离子体光电二极管实现了光的oam检测。zhao等人提出了一种多点干涉仪(imi)来检测涡旋光束，并证明了使用这种方法的远场干涉图可以用于测量具有高拓扑电荷的涡旋光束。这些工作在这一领域做出了重大贡献。但需要改进的主要方面是计算量大、模拟量大以及缺乏对扰动空间中传输的光束的恢复。
3.考虑到涡旋光束的特殊相位分布和相位突变所对应的oam，采用光学微分来检测涡旋光束的相位变化。利用双折射晶体(bc)通过弱测量系统构造虚弱值来产生涡旋光束的空间位移，实现了涡旋光束的相位分异。对不同阶数的轨道角动量进行了检测，反映了该检测方法在oam检测领域的优越性。


技术实现要素：

4.本发明的目的旨在首先提供一种基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测和轨道角动量光束的角量子数方法。
5.本发明提供了一种基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，该方法利用的量子弱测量技术的轨道角动量光束实验装置包括包括聚焦透镜、偏振态制备器、双折射晶体、1/4波片、偏振态选择器、准直透镜和光电探测器。轨道角动量光束经聚焦透镜聚焦后，进入偏振态制备器制备45
°
线偏振光作为弱测量模型中的前选择态，再经过双折射晶体在水平和垂直偏振方向引入位置偏移作为弱相互作用、之后经过1/4波片和偏振态选择器制备略偏离-45
°
线偏振光方向的椭偏光作为后选择态，经过准直透镜准直光束后由光电探测器接收信号光的光场分布。
6.上述基于基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，所述偏振态制备器用于构造合适的前选择量子态，所述1/4波片和偏振态选择器用于共同构造合适的后选择量
子态，并使后选择量子态与前选择量子态接近正交。后选择量子态与前选择量子态之间的夹角为90
°±
σ，σ不大于5
°
，以保证足够的量子弱值放大效应，实现高精度和高灵敏度的测量。所述偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜(例如沃拉斯棱镜)。
7.上述基于基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，所述偏振态制备器用于产生前选择量子态，1/4波片和偏振态选择器共同制备后选择态。
8.上述基于基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，所述双折射晶体用于在o光和e光之间引入微小偏移，构造弱相互作用。
9.上述基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，所述偏振态制备器、双折射晶体、1/4波片、偏振态选择器共同组成光场相位微分系统。
10.上述基于基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，利用前后选择态引入虚数弱值，实现对轨道角动量光束的相位微分。
11.本发明进一步提供了利用上述基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，包括以下步骤：
12.(1)调节所述量子弱测量技术的轨道角动量光束实验装置，使偏振态制备器的偏振角与水平放置的双折射晶体的光轴平行，偏振态选择器与偏振态制备器以一个极小的角度接近正交。光束通过偏振态制备器后，垂直入射到双折射晶体中，在双折射晶体的作用下沿着x轴的方向上有着微小位移的o光和e光，实现仪器与检测系统的弱耦合。偏振态选择器与1/4波片组成弱测量体系中的后选择部分，通过调节后选择中偏振态选择器的角度完成后续的检测。最后光束在ccd上以光强的形式被检测。
13.(2)根据以下公式得到经过偏振态制备器制备的前选择态为：
[0014][0015]
其中，|h》和|v》分别表示水平和垂直偏振态。
[0016]
(3)根据以下公式得到经过双折射晶体得到的偏振态：
[0017][0018]
其中，δ为双折射晶体在o光和e光引入的微小位移。p
x,y
为x或者y方向的波矢。在这里为可观测量算符。
[0019]
(4)根据以下公式得到经过1/4波片和偏振态选择器设定的后选择态为：
[0020][0021]
其中，σ为后选择角。其中
±
表示相对于与前选择正交的偏振方向所产生两个对称的后选择状态。
[0022]
(5)入射光场的波函可以数描述为φ(q)＝a(q)e
ip(q)
，a(q)和p(q)分别表示振幅分布和相位分布，对称后选择态所得到的分布相减后可以得到：
[0023][0024]
(6)l阶的拉盖尔-高斯光束可以表示为φ(r,θ,z)＝l
|l|
(r,z)e
i(lθ+ξ)
。这里l(r,z)是振幅项，和相位项无关。l是角量子数，p是径向量子
数，为瑞利长度，r＝z+f2/z。得到振幅的分布i
lg
∝
|l
|l|
(r,z)|2，在一定的阶数下是一个常数。在范围内进行上述的光学微分运算。相位函数的分布沿任意方向q可以表示为b(q)＝lθ(q)+ξ。
[0025][0026]
其中，a2(q)表示振幅i
lg
分布。相位全微分分布为：
[0027][0028]
上式表明直接得到轨道角动量光束相位分布函数的微分结果，从而获得轨道角动量光束相应的角动量。
[0029]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0030]
(1)本发明基于弱测量微分方案，实现了轨道角动量的检测，在一定程度上降低了实验耗能，将为工程及实验室相关领域提供一种简单且低耗能的轨道角动量检测方法；
[0031]
(2)本发明在一定程度上简化了轨道角动量检测系统，凭借弱测量检测系统能够消除背景噪声的能力，具有非常好的抗干扰效果，能够较为清晰的得到角动量的检测结果；
[0032]
(3)本发明基于弱测量技术的轨道角动量检测系统，避免了引入参考光进行干涉，简化了实验装置，可以实现对角动量的量子数的测量。
附图说明
[0033]
图1为本发明基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法结构示意图；1、聚焦透镜，2、偏振态制备器，3、双折射晶体，4、1/4波片，5、偏振态选择器，6、准直透镜，7、光电探测器。
[0034]
图2为基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法对不同角动量的量子束的轨道角动量光束进行测试，m＝5和m＝8轨道角动量光束在x和y方向上的相位微分图。
[0035]
图2中(a)和(b)为m＝5轨道角动量光束在x和y方向上的相位微分图；图2中(d)和(e)阶数l＝8轨道角动量光束在x和y方向上的相位微分图；图2中(c)和(f)阶数l＝5和l＝8轨道角动量光束全微分图。
具体实施方式
[0036]
以下将结合附图给出本发明实施例，并通过实施例对本发明的技术方案进行进一步的清楚、完整说明。显然，所述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
[0037]
实施例1
[0038]
本实施例提供的基于量子弱测量的的轨道角动量光束检测方法，结构如图1所示，轨道角动量光束检测装置包括聚焦透镜1，偏振态制备器2，双折射晶体3，1/4波片4，偏振态选择器5，准直透镜6，光电探测器7。其中聚焦透镜1和准直透镜6用于组成4f系统，光电探测器为用于探测弱的光强度信号的电荷耦合原件ccd。
[0039]
上述基于量子弱测量的的轨道角动量光束检测方法：轨道角动量光束经聚焦透镜1聚焦，其焦距f＝250mm；光束经偏振态制备器2制备45
°
线偏振光，经双折射晶体3在水平偏振光(o光)和垂直偏振光(e光)之间引入q方向上的微小位置偏移；光束经1/4波片4和偏振态选择器5进行后选择，其中1/4波片的光轴沿着-45
°
方向，偏振选择器的偏振方向为-45
°±
σ，σ＝0.5
°
为后选择角；之后光束再经过焦距f＝250mm的准直透镜6准直，最后由光电探测器7接收并输出光场分布。偏振态制备器的光束偏振态与1/4波片和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。
[0040]
本实施例基于量子弱测量技术对阶数l＝5或l＝8的轨道角动量光束进行测量的方法，步骤如下：
[0041]
(s1)调节光路平衡，以均匀高斯光入射到弱测量系统，调节偏振片使得输出光场呈现为圆环，表示输出为高斯光的微分分布，弱测量微分系统调节到工作点；
[0042]
(s2)对阶数l＝5(或l＝8)的轨道角动量光束进行实验检测，转动双折射晶体方向，在水平方向(x)引入位置偏移，在探测器上得到轨道角动量光束在x方向的相位微分分布；转动双折射晶体方向，在垂直方向(y)引入位置偏移，在探测器上得到轨道角动量光束在y方向的相位微分分布。
[0043]
(s3)利用下式对所得到的两幅微分分布进行合并得到入射光束的相位全微分分布：
[0044][0045]
图2中(a)和(b)为m＝5轨道角动量光束在x和y方向上的相位微分图；图2中(d)和(e)阶数l＝8轨道角动量光束在x和y方向上的相位微分图。轨道角动量光束的角动量数目对应着全微分光场分布的瓣数。如图2中(c)和(f)所示，阶数l＝5的轨道角动量光束表现为五瓣的分布，l＝8的轨道角动量光束为八瓣分布。
[0046]
本发明是基于量子弱测量技术，利用涡旋光束的特殊相位分布和相位突变所对应的oam，采用光学微分并构建虚数弱值来检测涡旋光束的相位变化，相比传统轨道角动量光束检测，可以在不引入参考光的情况下，通过简单的实验装置实现轨道角动量光束的检测以及对角动量量子数的测量，且有很好的噪声抑制效果。

技术特征：
1.一种基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，其特征在于：该方法利用的量子弱测量技术的轨道角动量光束实验装置包括聚焦透镜(1)、偏振态制备器(2)、双折射晶体(3)、1/4波片(4)、偏振态选择器(5)、准直透镜(6)和光电探测器(7)；轨道角动量光束经过聚焦透镜(1)聚焦后，进入偏振态制备器(2)制备45
°
线偏振光作为弱测量模型中的前选择态，然后双折射晶体(3)在水平和垂直偏振方向引入位置偏移作为弱相互作用，1/4波片(4)和偏振态选择器(5)共同制备略偏离-45
°
线偏振光方向的椭偏光作为后选择态，准直透镜(6)准直光束后由光电探测器(7)接收信号光的光场分布。2.根据权利要求1所述基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，其特征在于：利用弱测量构造虚数弱值实现对轨道角动量光束的相位微分，通过微分图样，可以实现对不同阶数的轨道角动量光束检测。3.根据权利要求1所述基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，其特征在于：偏振态制备器(2)构造前选择量子态，1/4波片(4)和偏振态选择器(5)用于共同构造后选择量子态；1/4波片(4)的光轴与偏振态制备器(2)的偏振方向相同，偏振态选择器(5)和偏振态制备器(2)两个偏振态之间的夹角为90
°±
σ，σ不大于5
°
，前后选择态构造虚数弱值。4.根据权利要求1所述基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)调节所述量子弱测量技术的轨道角动量光束实验装置，使偏振态制备器(2)的偏振角位于45
°
方向，双折射晶体(3)水平放置，偏振态选择器(5)与偏振态制备器(2)以一个极小的角度接近正交，光束通过偏振态制备器(2)后，垂直入射到双折射晶体(3)中，在双折射晶体(3)的作用下沿着x轴的方向上有着微小位移的o光和e光，实现仪器与检测系统的弱耦合，偏振态选择器(5)与1/4波片(4)组成弱测量体系中的后选择部分，通过调节后选择中偏振态选择器(5)的角度完成后续的检测，最后光束在ccd上以光强的形式被检测；(2)根据以下公式得到经过偏振态制备器(2)制备的前选择态为：其中，|h＞和|v＞和水平和垂直偏振态；(3)根据以下公式得到经过双折射晶体(3)得到的偏振态：其中，δ为双折射晶体(3)在o光和e光引入的微小位移，p
x,y
为x或者y方向的波矢，为可观测量算符；(4)根据以下公式得到经过1/4波片(4)和偏振态选择器(5)设定的后选择态为：其中，σ为后选择角，其中
±
表示相对于与前选择正交的偏振方向所产生两个对称的后选择态；(5)入射光场的波函可以数描述为φ(q)＝a(q)e
ip(q)
，a(q)和p(q)分别表示振幅分布和相位分布，对称后选择态所得到的分布相减后可以得到：
(6)l阶的拉盖尔-高斯光束可以表示为φ(r,θ,z)＝l
|l|
(r,z)e
i(lθ+ξ)
，这里l(r,z)是振幅项，和相位项无关，l是角量子数，p是径向量子数，l是角量子数，p是径向量子数，为瑞利长度，r＝z+f2/z。得到振幅的分布i
lg
∝
|l
|l|
(r,z)|2，在一定的阶数下是一个常数，在范围内进行上述的光学微分运算，相位函数的分布沿任意方向q可以表示为b(q)＝lθ(q)+ξ，其中，a2(q)表示振幅i
lg
分布，相位全微分分布为：上式表明直接得到轨道角动量光束相位分布函数的微分结果，从而获得轨道角动量光束相应的角动量。5.根据权利要求1所述基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，其特征在于：利用弱测量微分方案，得到的出射场为轨道角动量光束在x和y方向的相位微分分布；根据x和y方向的相位微分分布可以合成全微分光场分布，轨道角动量光束的微分光场表现为花瓣的分布形式；根据图案实现轨道角动量光束的检测，从花瓣数量得到角动量量子数的测量。6.根据权利要求1所述基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，其特征在于：具有良好的抗噪效果，弱测量微分技术可以得到受到环境扰动后的轨道角动量光束的微分分布，从而实现对不同阶数的轨道角动量光束检测。

技术总结
本发明公开了一种基于量子弱测量技术的轨道角动量光束检测方法，通过设置合适的偏振态制备器和偏振态选择器，制备虚数弱值，并利用量子弱测量微分效应得到的轨道角动量光束的微分分布从而实现对轨道角动量光束的检测和角动量量子数的测量。本发明基于量子弱测量技术，运用光学微分的方式实现了在自然状态下轨道角动量光束的测量，在一定程度上降低了实验耗能，为工程及实验室相关领域提供一种简单且低耗能的轨道角动量检测方法，在光通信、传输和操纵等多个技术领域具有重要应用价值。输和操纵等多个技术领域具有重要应用价值。输和操纵等多个技术领域具有重要应用价值。


技术研发人员：罗兰 方亮 刘博
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/16