涡旋光束的轨道角动量的测量.pdfVIP

第 31卷 第 2期 华 侨 大 学 学 报 (自然 科 学 版 ) Vo1．31 No．2 2010年 3月 JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience) Mar．2010 文章编号： 1000—5013(2010)02—0157—05 涡旋光束的轨道角动量的测量 刘辉，陈子阳，蒲继雄 (华侨大学 信息科学与工程学院，福建 泉州 362021) 摘要： 理论分析拓扑电荷数大小相等、符号相反的两束拉盖尔高斯型涡旋光束的干涉，并从实验上研究拉盖 尔高斯型涡旋光束的拓扑电荷数的改变及干涉特性．结果表明，采用加道威棱镜的马赫曾德尔干涉方法，可以 容易地分辨涡旋光束的拓扑电荷数，并降低检测的误差．研究还发现，干涉后的光斑图样有缓慢的旋转现象． 关键词： 拓扑电荷；道威棱镜；涡旋光束；轨道角动量 中图分类号： ()436 文献标识码 ： A 涡旋光束又称螺旋光束，它是具有连续螺旋状相位波前且涡旋中心光强为零的奇异光束．涡旋光束 在量子光学、自由空间光通信等诸多领域有着广泛的应用．与传统的基于光束偏振态的编码方式不同， 涡旋光束采用轨道角动量作为信息的载体，能够大大增加传输的信息容量[1]．Gibson等的研究L2]表明， 利用涡旋轨道角动量进行编码具有更高的必威体育官网网址性．此外，由于涡旋光束带有轨道角动量，因此其在量子 信息处理、量子纠缠、粒子囚禁和操纵等领域有广泛的应用潜力[3]．本文在实验上研究了不同拓扑电 荷数的相干涡旋光束的产生，并估测了涡旋光束的拓扑电荷数． 1 理论基础 1．1 全息片的产生 涡旋光束具有螺旋型的波前结构，拉盖尔一高斯光束是涡旋光束的典型代表．在光源平面，涡旋光束 的场可以表示为， E(r，)一 ( )exp( )exp(一 i)． (1) 式(1)中：为光斑大小， 为拓扑电荷数，r，0分别表示光源平面位置矢量的模和方位角． 根据全息照相原理，要再现一个特定的物波，可以先利用一个参考光波和物波进行干涉，形成干涉 条纹，即全息图形．该图形不仅能记录下光的振幅，也能记录下光的相位．把该图形用一些特殊介质记录 下来，如感光底片．当再用一束同参考光波的波长和传播方向完全相同的光束照射全息图，则在一些特 定的衍射方向上可以再现出该物波． 实验中，采用计算全息图为涡旋光束和平面波干涉后的光强分布图．涡旋光束的电场可表示为 E。一E】exp(iq,)． (2) 式(2)中： 为振幅 ．为简单起见，令其为一个常数，z为涡旋光束的拓扑荷数．则平面波为 i==：E2exp( )． (3) 式(3)中： 为常数，A是平面波的空间周期．令E一E2一 ，可以得到干涉后的光强分布为 J—lEov+E ·l一2411+cos‘ )]． (4) 收稿 日期 ： 2009—03—24 通信作者： 蒲继雄 (1962一)，男，教授，主要从事光束传输与非线性光学的研究．E-mail：jixiong@hqu．edu．cn． 基金项 目： 福建省科技计划重点项 目(2007H0027)；福建省 自然科学基金资助项 目(A081O012) 158 华 侨 大 学 学 报 (自然 科 学 版) 利用式 (4)，可以模拟出平面波和涡旋光束的干涉图(全息图)．拓扑荷数为 1，2的涡旋光束同平面 波干涉后的全息图，如图1所示． (a)Z— l (b)l— Z 图1 涡旋光束同平面波干涉的计算全息图 Fig．1 Computerholographinterfe