CN107941353B - 一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量方法。所述基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量方法包括如下步骤：产生非相干纠缠光子对；将所述纠缠光子对通过分束器分为i光子和s光子；控制计算机使通过空间光调制器的s光子获得涡旋相位，然后将光信号耦合到单模光纤，用雪崩二极管进行单点测量；控制计算机使通过空间光调制器的i光子获得特定的振幅和相位，然后将光信号耦合到单模光纤，用雪崩二极管进行单点测量；将两路所测量的光信号进行关联计算并用计算机记录；通过改变i光子所在光路的空间光调制器的透射系数，寻找输出关联值中的最大值；该最大值所对应的i光子透射系数就是s光子的涡旋拓扑荷值。本发明采用非相干纠缠光子对作为光源，在单光子水平上对相干涡旋的拓扑荷进行了测量，具有测量结果准确、测量范围大的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量方法，属于量子传感领域。
技术背景
涡旋光束是一种具有螺旋相位波前的特殊光场，光场的相位分布函数为exp(ilθ)，这种光场的每个光子都携有特定的轨道角动量其中l被称为拓扑荷，θ是方位角。对于相干性较差的部分相干光而言，一般不存在光强为零的光涡旋，却存在光谱相干度或互相干函数为零的相干涡旋。相干涡旋的拓扑荷在光镊、激光通信及量子密码系统有着重要的应用前景。光子的轨道角动量态|l>具有完备性、正交性和无限的维度，其已经被论证可以作为高维度希尔伯特空间量子信息应用的一个有效的自由度(参见学术论文Franke-Arnold S,Allen L, Padgett M.Advances in optical angular momentum.Laser PhotonRev 2008；2:299–313.)。
双光子纠缠是指两光子以非定域的形式相互联系，当其中一个光子发生变化，另一个光子无论处在什么样的条件下也会发生相应的改变。纠缠双光子波函数，是量子形态的互相干函数，因此可以用来反应双光子纠缠状态下的相干涡旋(参见学术论文Li-GangWang et al., ABCD law of two-mode Gaussian-entangled light fields in linearoptical systems.Optics Communications 284(2011)5860–5865)。双光子关联成像是一种利用光源的量子纠缠特性，实现在不含物体的光路中获取物体衍射图像的新型成像机制。这种关联成像又被称为鬼成像，现已广泛应用于分布图像处理、分布感知及通信领域。
目前测量光学涡旋拓扑荷的方法主要有：干涉法和衍射法。当光源相干度下降时，干涉法无法进行拓扑荷数值的准确判断。当光源拓扑荷值较大时，衍射法的分辨能力降低。除此之外，以上两种方法采用赝热激光作为光源。光源热噪声严重制约了测量信号准确度的提高，使其难以在单光子水平上准确识别光源的涡旋拓扑信息。
发明内容
本发明的目的是针对在先技术的不足，提供一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的。一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量方法，其步骤如下：
(1)产生非相干纠缠光子对；
(2)将所述纠缠光子对通过分束器分为i光子和s光子；
(3)控制计算机使通过空间光调制器的s光子获得涡旋相位，然后将光信号耦合到单模光纤，用雪崩二极管进行单点测量；
(4)控制计算机使通过空间光调制器的i光子获得特定的振幅和相位，然后将光信号耦合到单模光纤，用雪崩二极管进行单点测量；
(5)将两路所测量的光信号进行关联计算并用计算机记录；
(6)通过改变i光子所在光路的空间光调制器的透射系数l，输出值中的最大值所对应的透射系数就是s光子的涡旋拓扑荷值。
本发明采用的非相干纠缠光子对是由双模激光器产生的。
本发明的有益效果在于可以在单光子水平上对涡旋光束进行测量。测量结果直观，测量范围大。
附图说明
图1表示在本发明的一个实施例中所用的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释。
图1为用于本发明的一个实施例的示意图。它包括：双模关联激光器1；分束器2；第一带通滤波器3；第一空间光调制器4；第一计算机5；第二带通滤波器6；第二空间光调制器7；第二计算机8；第一透镜9；第一单模光纤10；第一雪崩光电二极管11；第二透镜12；第二单模光纤13；第二雪崩光电二极管14；关联计数器15；第三计算机16。
参见附图1，一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量法的工作步骤如下：
1、双模关联激光器1产生高斯纠缠的双光子对；所述高斯纠缠光子对的波函数为：
ψin(x1,y1；x2,y2)＝G0exp[-2(x1 2+y1 2)/σs 2]δ(x1-x2)δ(y1-y2)
其中G0为常数，x1，y1是其中一个纠缠光子的横向坐标，x2，y2是另一纠缠光子的横向坐标,σs代表激光器输出光斑半径；所述高斯纠缠光子对经分束器2被拆分成两个光子，并分别进入所述分束器2的透射光路s和反射光路i；进入所述分束器2透射光路s的光子被称为s光子，进入所述分束器2透射光路i的光子被称为i光子；
2、所述s光子经第一带通滤波器3后进入第一空间光调制器4；分束器2与第一空间光调制器4之间的距离为q1；所述第一空间光调制器4与第一计算机5相连接，并在第一计算机5的控制下使得从其出射的s光子获得拓扑荷为m的涡旋相位；
3、所述i光子经第二带通滤波器6后进入第二空间光调制器7；分束器2与第一空间光调制器4之间的距离为q1，且q1＞q2；所述第二空间光调制器7与第二计算机8相连接，并在第二计算机8的控制下使得从其出射的i光子获得特定的振幅和相位；所述第二空间光调制器7的透射函数为：
其中l是透射系数,p是非负整数，vx是透射函数横向坐标的x分量，vy是透射函数横向坐标的y分量,λ是非相干纠缠光子对的波长，Ha()表示厄米多项式a是相应的阶数；
4、从所述第一空间光调制器4出射的s光子经第一透镜9耦合进入第一单模光纤10被第一雪崩光电二极管11接收；z1是第一空间光调制器4到第一透镜9的距离，且满足 q2-q1＝z1；
5、从所述第二空间光调制器7出射的i光子经第二透镜12耦合进入第二单模光纤13被第二雪崩光电二极管14接收；
6、所述第一雪崩光电二极管11和第二雪崩光电二极管14的输出信号进入关联计数器 15，并被第三计算机16记录下来；
7、利用第二计算机8改变第二空间光调制器7的透射函数的系数l，并记录下关联计数器15的输出值；关联计数器15获得最大输出信号时，第二空间光调制器7所取的透射系数 l即是s光子的涡旋拓扑荷值m；
8、所述关联计数器15的输出值为i光子与s光子的一阶关联信号：
其中n和m是非负整数,δ()是狄拉克函数，l是第二空间光调制器7的透射系数，m是s光子的涡旋拓扑荷值。
Claims (3)
1.一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)非相干纠缠光子对经分束器(2)被拆分成两个光子，并分别进入所述分束器(2)的透射光路s和反射光路i；进入所述分束器(2)透射光路s的光子被称为s光子，进入所述分束器(2)反射光路i的光子被称为i光子；
(2)所述s光子经第一带通滤波器(3)后进入第一空间光调制器(4)；分束器(2)与第一空间光调制器(4)之间的距离为q1；所述第一空间光调制器(4)与第一计算机(5)相连接，并在第一计算机(5)的控制下使得从其出射的s光子获得拓扑荷为m的涡旋相位；
(3)所述i光子经第二带通滤波器(6)后进入第二空间光调制器(7)；分束器(2)与第二空间光调制器(7)之间的距离为q2，且q2＞q1；所述第二空间光调制器(7)与第二计算机(8)相连接，并在第二计算机(8)的控制下使得从其出射的i光子获得特定的振幅和相位；
(4)从所述第一空间光调制器(4)出射的s光子经第一透镜(9)耦合进入第一单模光纤(10)被第一雪崩光电二极管(11)接收；z1是第一空间光调制器(4)到第一透镜(9)的距离，且满足q2-q1＝z1；
(5)从所述第二空间光调制器(7)出射的i光子经第二透镜(12)耦合进入第二单模光纤(13)被第二雪崩光电二极管(14)接收；
(6)所述第一雪崩光电二极管(11)和第二雪崩光电二极管(14)的输出信号进入关联计数器(15)，并被第三计算机(16)记录下来；
(7)利用第二计算机(8)改变第二空间光调制器(7)的透射函数的系数l，并记录下关联计数器(15)的输出值；关联计数器(15)获得最大输出信号时，第二空间光调制器(7)所取的透射系数l即是s光子的涡旋拓扑荷值m；所述第二空间光调制器(7)的透射函数为:
其中l是所述第二空间光调制器(7)的透射系数,j是虚数单位，p是非负整数，vx是透射函数横向坐标的x分量，vy是透射函数横向坐标的y分量，λ是所述非相干纠缠光子对的波长，Ha()表示厄米多项式，其中下标a表示阶数；σs是激光器输出光束的光斑半径。
2.根据权利要求1所述的一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量法，其特征在于，所述非相干纠缠光子对由双模关联激光器产生，其波函数为：
ψin(x1,y1；x2,y2)＝G0exp[-2(x1 2+y1 2)/σs 2]δ(x1-x2)δ(y1-y2)
其中G0为常数，x1，y1是其中一个纠缠光子的横向坐标，x2，y2是另一纠缠光子的横向坐标,σs代表激光器输出光束的光斑半径。
3.根据权利要求1所述的一种基于双光子关联的相干涡旋拓扑荷的测量法，其特征在于，所述关联计数器(15)的输出值为i光子与s光子的一阶关联信号：
其中n和p是非负整数,δ()是狄拉克函数，l是第二空间光调制器(7)的透射系数，m是s光子的涡旋拓扑荷值。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN103954367A (zh) * | 2014-04-18 | 2014-07-30 | 河南科技大学 | 一种测量分数阶光学涡旋拓扑荷值的装置及其测量方法 |
| CN104121996A (zh) * | 2014-07-21 | 2014-10-29 | 河南科技大学 | 一种测量涡旋光束高阶拓扑荷的测量装置 |
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| CN106932107A (zh) * | 2017-04-07 | 2017-07-07 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于远场衍射原理的拓扑荷测量装置 |
Non-Patent Citations (2)
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| 涡旋光束拓扑荷值的干涉测量方法;周洋;李新忠;王静鸽;王辉;李贺贺;;河南科技大学学报(自然科学版);第37卷(第03期);全文 * |
| 涡旋光束轨道角动量干涉及检测的研究;柯熙政;胥俊宇;;中国激光;第43卷(第09期);全文 * |
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