一种涡旋光束干涉装置及系统

技术领域

本发明涉及涡旋光束领域，尤其涉及一种涡旋光束干涉装置及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

传统的涡旋光束教学通常是通过理论讲解、公式推导以及学生自行搭建光路来进行，对于初学者来说，往往难以理解其中的抽象概念，且搭建光路耗时耗力。

同时，CNOT门(受控非门)在量子计算和信息处理中具有极其重要的地位，CNOT门可以实现量子纠缠的创建与操作、进行高保真度量子信息处理、实现复杂量子算法以及推动量子技术的发展。然而，市面上能够实现CNOT的教学仪器所用方法大多为基于金刚石氮-空位(NV)色心量子比特、离子阱等方法，实现起来较为复杂。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种涡旋光束干涉装置及系统，本发明设计的涡旋光束干涉装置，采用偏振控制轨道角动量(OAM)的CNOT，实现起来较为简单，更方便教学。即本发明可以弥补传统教学的不足，增强学生的实践能力和创新思维，推动量子力学的研究和发展，促进学科交叉和融合。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供了一种涡旋光束干涉装置。

一种涡旋光束干涉装置，包括：底座，以及可拆卸盖在底座上的壳体，所述底座上设有沿光路依次排列的激光器、第一1/4波片、q波片、第二1/4波片、第一半波片和第一偏振分束器，第一偏振分束器分束的光一路依次经过楔角片和第一平面反射镜进入第二偏振分束器，另一路依次经第二平面反射镜和道威棱镜进入第二偏振分束器，两路光束在第二偏振分束器处汇合发生干涉，第二偏振分束器输出的干涉光依次经过第三1/4波片和第三偏振分束器后在CCD相机成像；其中，所述楔角片安装在手动位移台上。

进一步地，所述q波片用于生成具有轨道角动量的涡旋光束。

进一步地，所述第一1/4波片用于将激光器出射的垂直偏振光转变为圆偏振光。

进一步地，通过移动手动位移台改变光路在楔角片中走过的光程，以改变CCD相机接收到的两路光的光程差，使CCD相机成像的花瓣图像发生旋转。

进一步地，所述第三1/4波片用于将光路的偏振状态由圆偏振态转变为线偏振态。

进一步地，所述第三偏振分束器用于检偏。

本发明的第二个方面提供了一种涡旋光束干涉系统。

一种涡旋光束干涉系统，包括第一个方面所述的涡旋光束干涉装置和计算机，所述涡旋光束干涉装置连接计算机，所述计算机用于读出CCD相机中干涉图样的旋转角度。

进一步地，所述干涉图样旋转角度采用以下公式计算：

其中，

本发明的第三个方面提供了一种涡旋光束干涉装置。

一种涡旋光束干涉装置，包括第一个方面所述的涡旋光束干涉装置和柱透镜，所述柱透镜安装在第二偏振分束器与第三1/4波片之间，或所述柱透镜安装在第三1/4波片与第三偏振分束器之间，或所述柱透镜安装在第三偏振分束器与CCD相机之间；所述柱透镜用于将携带OAM的光转变为厄米高斯光束，包含奇点的OAM光斑将会变为条形图样。

本发明的第四个方面提供了一种涡旋光束干涉系统。

一种涡旋光束干涉系统，包括第三个方面所述的涡旋光束干涉装置和计算机，所述涡旋光束干涉装置连接计算机，在所述激光器与第一1/4波片之间增加第二半波片，通过旋转第二半波片改变光速偏振，使光束在垂直偏振与水平偏振之间转换，计算机用于根据条纹方向判断出OAM的正负，根据条纹数目判断OAM的值，判断是否实现CNOT门。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种涡旋光束干涉装置可以通过直观的实验演示，帮助学生更好地理解涡旋光束的概念和性质，弥补传统教学的不足；同时，提出了一种采用偏振控制OAM的CNOT门，实现原理简单，更适合学生操作与理解；另外，学生还可以通过本发明动手进行实验，观察实验现象，分析实验数据，加深对涡旋光束概念的理解，从而增强实践能力和创新思维，提高科学素养；同时，涡旋光束在光学操控、光学传感、光通信、显微镜和量子纠缠等领域有着广泛的应用，研发涡旋光束干涉装置可以为学生提供更好的学习平台，推动涡旋光束的研究和发展。

本发明使用的特别设计小型化方案，使得光路更加简便，调节起来更为容易，集成度更高，在确保简易性的同时，该发明也有利于更好地展示实验现象及原理。

本发明将基本光路固定在仪器上，并预留一部分动手操作部分，学生在实验过程中无需进行繁琐的光路调整，仅需调节对应实验的对应元件，即可观察到实验现象，提高了实验效率的同时也增加了学生的参与度，方便学生更好的理解涡旋光束及其特性。

本发明将光学系统与电子学系统集成在壳体内部，并将光源内置，使得激光被束缚在固定位置，进一步提高了该设备的安全性，使其更适合中学及本科阶段的教学使用。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明示出的涡旋光束干涉装置的光路结构图；

图2是本发明示出的涡旋光束的镜面反射原理图；

其中，1、激光器，2、第一1/4波片，3、q波片，4、第二1/4波片，5、第一半波片，6、第一偏振分束器，7、楔角片，8、手动位移台，9、第一平面反射镜，10、第二平面反射镜，11、道威棱镜，12、第二偏振分束器，13、第三1/4波片，14、第三偏振分束器，15、CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种涡旋光束干涉装置，包括：底座，以及可拆卸盖在底座上的壳体，所述底座上设有第一1/4波片2、q波片3、第二1/4波片4、第一半波片5、第一偏振分束器6、楔角片7、手动位移台8、第一平面反射镜9、第二平面反射镜10、道威棱镜11、第二偏振分束器12、第三1/4波片13、第三偏振分束器14以及CCD相机15。

本发明提供了一种涡旋光束干涉装置，通过液晶q-plate(q波片)生成具有轨道角动量的涡旋光束，让学生了解矢量场生成过程，了解涡旋光束的性质，观察矢量场干涉现象，并通过干涉图样对相位的改变进行精密测量，还可通过该现象实现偏振控制的CNOT门。

根据本发明进一步的实施例，所述涡旋光束干涉装置包括激光器1，用于产生635nm波长的垂直偏振|V>光；

其中，第一1/4波片2用于将激光器1出射的|V>光转变为圆偏振光。

所述q波片3用于将圆偏振光转变为携带轨道角动量的涡旋光束，极坐标系下q波片3的液晶主轴在其横截面上的分布规律为：

式中，q为q波片的阶次，取值为0.5的整数倍。α

其中，α由式(1)决定。当一束右旋圆偏振光照射q波片时，其出射光场可以表示为：

由式(3)不难看出，出射光场为具有螺旋相位项的角量子数为2q的左旋涡旋光束|2q>。类似地，若采用左旋圆偏振光入射，则出射光场为：

此时出射光场为角量子数为-2q的右旋涡旋光束|-2q>。若入射光束为线偏振光，则输出光场为具有各向异性偏振态分布的矢量光束。

因此，当圆偏振光通过q波片3时，出射光会变成共轭的偏振态，并携带

其中，第一偏振分束器6、第一平面反射镜9、第二平面反射镜10、第二偏振分束器12构成马赫曾德干涉仪，其中，偏振分束器用于将光束分为垂直偏振|V>光和水平偏振|H>光，光束从第一偏振分束器6分为两束，随后在第二偏振分束器12处汇合发生干涉。

所述涡旋光束干涉装置可以实现矢量场生成实验。

矢量场可以表示为两个相位相反的正交极化标量场的相干叠加。关键是要在两条路径上产生两个相反的涡旋，这通常可以通过一条路径上的光场被反射偶数次而另一条路径被反射奇数次来实现。

所述道威棱镜11用于将b路光路的光，即|V>光，反射一次，这样|V>光就比|H>光多反射一次，在基于涡旋光束的光学系统中，由于镜面反射理想成像，并不改变光的光强分布，因此我们仅关心其携带的轨道角动量，或其特征值角量子数l的变化情况。如图2所示，设一右手系下的涡旋光束|l>，其波前的旋转方向由x轴→y轴。经过镜面反射后，右手系变成了左手系，x轴和y轴互换，但其波前的旋转方向依然由x轴→y轴。此时，经过镜面反射后的涡旋光束，其波前的旋转方向必然与原来相反。因此，经过镜面反射后，涡旋光束的角量子数变为原来的相反数，其特征态|l>→|-l>。另外，这种现象也可以理解为具有相反角量子数的涡旋光束互为镜像。

若涡旋光束经过第一个反射镜后，又经过一个反射镜反射，则左手系坐标又变成了右手系坐标，此时涡旋光束的角量子数与原来完全相同。不难理解，当涡旋光束经过n次反射时，若n为奇数，则其角量子数会变为原来的相反数；若n为偶数，其角量子数不变，即：

在系统内传播的两束光束分别经历偶数和奇数次反射，输出的两束正交线偏振光束将具有相反的螺旋相位

当激光经过液晶q-plate后，生成具有OAM的涡旋光束，随后经过包含道威棱镜的马赫曾德干涉仪，合束后的涡旋光束中含有不同的模式，即同时具有多个不同的轨道角动量叠加态时，其横截面光场分布会由于不同模式间的干涉呈现出花瓣状图案，其相位分布亦与单一模式时不同。

考虑最简单的情况，即两路涡旋光束等强度合束，设它们的角量子数分别l

由此可知，其横截面光强分布满足下式：

式(7)表明，双路等强度合束后的涡旋光束，其横截面光强分布是关于角向坐标

所述楔角片7用于补b路光路的光程，当在其中一条光路上增加楔角片7时，光程会发生改变，因此得到的干涉图样会发生旋转，通过手动位移台8，改变光路在楔角片7中走过的光程，会使得干涉出的花瓣图样发生旋转。根据干涉图样旋转的角度可计算出光程改变，从而实现精密测量。

当加入楔角片改变Δl的光程时，式(7)变为：

其中，

其中，第三1/4波片13用于将光路的偏振状态由圆偏振态转变为线偏振态，第三偏振分束器14用于检偏，CCD相机15用于拍摄出干涉图样，并计算出干涉图样旋转角度。

实施例二

本实施例提供了一种涡旋光束干涉系统。

一种涡旋光束干涉系统，包括涡旋光束干涉装置和计算机，所述涡旋光束干涉装置连接计算机，所述计算机用于读出CCD相机中干涉图样的旋转角度。

所述干涉图样旋转角度采用以下公式计算：

其中，

所述涡旋光束干涉装置包括：底座，以及可拆卸盖在底座上的壳体，所述底座上设有沿光路依次排列的激光器1、第一1/4波片2、q波片3、第二1/4波片4、第一半波片5和第一偏振分束器6，第一偏振分束器6分束的光一路依次经过楔角片7和第一平面反射镜9进入第二偏振分束器12，另一路依次经第二平面反射镜10和道威棱镜11进入第二偏振分束器12，两路光束在第二偏振分束器12处汇合发生干涉，第二偏振分束器12输出的干涉光依次经过第三1/4波片13和第三偏振分束器14后在CCD相机15成像；其中，所述楔角片7安装在手动位移台8上。

在一些实施例中，所述q波片3用于生成具有轨道角动量的涡旋光束。

在一些实施例中，所述第一1/4波片2用于将激光器出射的垂直偏振光转变为圆偏振光。

在一些实施例中，通过移动手动位移台8改变光路在楔角片7中走过的光程，以改变CCD相机15接收到的两路光的光程差，使CCD相机15成像的花瓣图像发生旋转。

在一些实施例中，所述第三1/4波片13用于将光路的偏振状态由圆偏振态转变为线偏振态。

在一些实施例中，所述第三偏振分束器14用于检偏。

实施例三

本实施例提供了一种涡旋光束干涉装置。

一种涡旋光束干涉装置，包括：实施例一所述的涡旋光束干涉装置和柱透镜，所述柱透镜安装在第二偏振分束器与第三1/4波片之间，或所述柱透镜安装在第三1/4波片与第三偏振分束器之间，或所述柱透镜安装在第三偏振分束器与CCD相机之间；所述柱透镜用于将携带OAM的光转变为厄米高斯光束，包含奇点的OAM光斑将会变为条形图样。

根据本发明进一步的实施例，所述涡旋光束干涉装置还可以进行OAM值检测实验。

在光路中增加柱透镜，可将携带OAM的光转变为厄米高斯光束，包含奇点的OAM光斑将会变为条形图样，根据条纹方向可判断出OAM的正负，根据条纹数目可判断OAM的值。其中，当条纹方向为右上方向，即45°方向，则OAM为正；当条纹方向为左上方向，即-45°，则OAM为负值，条纹数目为OAM值。

此时如果双路涡旋光束等强度合束后的形成的矢量光场经过检偏会具有花瓣状结构，且花瓣数等于|l

根据本发明进一步的实施例，所述涡旋光束干涉装置还可以进行CNOT门实验；

CNOT门是一种两比特门，其中一个比特作为控制比特，另一个作为目标比特。当控制比特为1时，CNOT门会翻转目标比特的状态；当控制比特为0时，目标比特的状态保持不变。本发明提出的涡旋光束实现CNOT，采用偏振控制OAM，以偏振为控制量子比特，OAM作为目标量子比特，当偏振为水平偏振时，OAM不变；当偏振为垂直偏振时，OAM变为负值，由此便实现了CNOT门。旋转激光器出光口处的第一半波片，改变光束的偏振，使其在垂直偏振与水平偏振之间转换，在光路中增加柱透镜，可将OAM转变为厄米高斯光束，根据条纹方向可判断出OAM的正负，根据条纹数目可判断OAM的值，即可判断是否实现了CNOT门。

实施例四

本实施例提供了一种涡旋光束干涉系统，包括实施例三所述的涡旋光束干涉装置和计算机，所述涡旋光束干涉装置连接计算机，在所述激光器与第一1/4波片之间增加第二半波片，通过旋转第二半波片改变光速偏振，使光束在垂直偏振与水平偏振之间转换，计算机用于根据条纹方向判断出OAM的正负，根据条纹数目判断OAM的值，判断是否实现CNOT门，此外计算机还可以用于观看干涉图样，以及利用软件计算干涉图样旋转角度。

在本实施例中，需要将第二半波片旋转至45°。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。