基于光束偏移器的光的軌道角動(dòng)量分束器*

張卓 張景風(fēng) 孔令軍

(北京理工大學(xué)物理學(xué)院,先進(jìn)光電量子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,納米光子學(xué)與超精密光電系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

近年來(lái),光的軌道角動(dòng)量自由度的高維度特性引起了廣泛的關(guān)注.該自由度在許多科學(xué)領(lǐng)域得到了研究和應(yīng)用,特別是在光通訊和量子信息領(lǐng)域.為了充分利用軌道角動(dòng)量的高維特性,不同的軌道角動(dòng)量態(tài)的非破壞分離成為一個(gè)最基本的要求.然而,目前已有的軌道角動(dòng)量分束系統(tǒng),要么在穩(wěn)定性和級(jí)聯(lián)拓展性方面有所不足;要么分離后的軌道角動(dòng)量態(tài)的特性遭到嚴(yán)重破壞,無(wú)法參與進(jìn)一步的相互作用過(guò)程.本文基于光束偏移器構(gòu)建微型Mach-Zehnder 干涉儀,設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)定且緊湊的軌道角動(dòng)量分束器,實(shí)現(xiàn)了軌道角動(dòng)量模式的非破壞分束.設(shè)計(jì)中由于只存在光束的全反射,因此理論上能量損耗為零.在微型Mach-Zehnder 干涉儀中的光束經(jīng)過(guò)的光學(xué)元件相同,且光束的空間偏移量較小,所以該軌道角動(dòng)量分束器具有很好的穩(wěn)定性.此外,由于被分開(kāi)的軌道角動(dòng)量態(tài)與入射的軌道角動(dòng)量態(tài)具有相同的傳播方向,因此該分束器具有很好的可拓展性,便于級(jí)聯(lián)使用.本研究對(duì)軌道角動(dòng)量這一高維自由度在光通訊等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用有重要意義.

1 引言

1989 年,Coullet 等[1]基于Maxwell-Bloch 模型首次提出了光學(xué)渦旋的概念.1992 年,Allen 等[2]進(jìn)一步指出,具有旋轉(zhuǎn)相位梯度的渦旋光場(chǎng)可以攜帶軌道角動(dòng)量(orbital angular momentum,OAM).自此,光的OAM 自由度受到廣泛關(guān)注.至今,OAM已經(jīng)擴(kuò)展到幾乎所有的光學(xué)領(lǐng)域,例如非線(xiàn)性光學(xué)[3-9]、原子光學(xué)[10]、光學(xué)微操作[11,12]、光霍爾效應(yīng)[13]、光學(xué)渦旋結(jié)[14-17]、超衍射極限成像[18,19]、光全息[20,21]、生物科學(xué)[22],甚至天文學(xué)[23];并帶來(lái)了一系列的應(yīng)用,如微納加工、微粒操控[11,24-27]、傳感測(cè)量[28-31]和信息加密[20,21]等.更重要的是,由于OAM 自由度原則上可具有無(wú)限維度,因此可用于構(gòu)建高維Hilbert 空間,進(jìn)而提高每個(gè)光子編碼信息的能力.這一特性使得OAM 在光通訊[32-36]、高維量子糾纏[37-44]等領(lǐng)域有一系列應(yīng)用.而在光通訊過(guò)程中,信道容量一方面取決于信息發(fā)送端所用于攜帶信息的光子OAM 態(tài)的維度,另一方面還取決于信息接收端能夠識(shí)別的攜帶信息的光子OAM 態(tài)的維度.相比于前者,信息接收端攜帶信息的光子OAM 態(tài)的識(shí)別難度更大,特別是非破壞性的OAM 態(tài)的識(shí)別.

目前已有的OAM 態(tài)的識(shí)別方法主要分兩類(lèi).一類(lèi)是破壞型的,比如基于對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換,將輸入平面中的對(duì)數(shù)極坐標(biāo)映射到輸出平面中的笛卡爾坐標(biāo),把輸出光束聚焦到不同的橫向位置進(jìn)而判斷OAM 的數(shù)值[45,46].后來(lái),通過(guò)引入螺旋變換克服了對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換OAM 模式分束方案的局限性,并顯著地獲得了更高的分辨率[47].在這些方法中,分離的OAM 態(tài)被嚴(yán)重破壞,無(wú)法應(yīng)用于進(jìn)一步的相互作用中.這大大限制了此類(lèi)方法在許多量子光學(xué)研究中的應(yīng)用[38,39,48-52].另一類(lèi)為非破壞型.2002 年,Leach 等[53]提出了一種基于一對(duì)Dove棱鏡來(lái)引入一個(gè)OAM 模式相關(guān)的相移的方法,并將這一對(duì)Dove 棱鏡置于一個(gè)Mach-Zehnder 干涉儀中,實(shí)現(xiàn)了OAM 態(tài)的非破壞分束.整個(gè)分束裝置由兩個(gè)分光棱鏡、兩個(gè)反射鏡和兩個(gè)Dove 棱鏡組成[54,55].后來(lái),該方法得到進(jìn)一步優(yōu)化.然而,Dove棱鏡的使用給這種方法帶來(lái)了許多缺點(diǎn)[49-51].例如,兩個(gè)Dove 棱鏡的四次折射導(dǎo)致能量損失,整個(gè)裝置的調(diào)節(jié)有一定的困難,裝置的集成化難度較大等.此外,干涉儀的設(shè)計(jì)框架,使得該分束裝置的穩(wěn)定性受到了極大的限制;同時(shí)也增加了多級(jí)級(jí)聯(lián)的困難.

另一方面,近年來(lái),光束偏移器(beam displacer,BD)被大量應(yīng)用于調(diào)控光子的空間和偏振自由度[24,56-60].BD 是一種雙折射晶體,能夠?qū)⑷肷涔夥殖伤胶拓Q直偏振的兩束光,也可以將水平和豎直偏振的兩束光合并成一束光.因此,BD 可以用于設(shè)計(jì)微型的Mach-Zehnder 干涉儀.由于兩束光分開(kāi)的距離很小,且都經(jīng)過(guò)同一塊BD,所以這類(lèi)微型Mach-Zehnder 干涉儀具有非常好的穩(wěn)定性.此外,由于BD 不改變光的傳播方向,所以這類(lèi)微型Mach-Zehnder 干涉儀具有很好的可級(jí)聯(lián)特性.這使得BD 在很多光學(xué)研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.最典型的例子是在量子行走領(lǐng)域的應(yīng)用.2015 年,Xue 等[56]基于BD 通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)構(gòu)建微型Mach-Zehnder 干涉儀實(shí)驗(yàn)演示了在11×11二維空間上的十步量子行走,最終實(shí)現(xiàn)了局部行走狀態(tài).

本文基于BD 設(shè)計(jì)了一個(gè)OAM 分束器.整個(gè)分束器由一個(gè)BD,一個(gè)直角棱鏡和一個(gè)雙Porro棱鏡(double Porro prism,D-PP)等線(xiàn)性光學(xué)元件組成.其中D-PP 用于引入一個(gè)OAM 模式相關(guān)的相移.通過(guò)構(gòu)建微型Mach-Zehnder 干涉儀,實(shí)現(xiàn)了OAM 模式的非破壞分束.在本文設(shè)計(jì)的OAM分束器中,由于只存在光束的全反射,因此理論上能量損耗為零.由于所使用的幾個(gè)光學(xué)元件彼此緊密地貼合在一起,微型Mach-Zehnder 干涉儀中的光束經(jīng)過(guò)的光學(xué)元件相同,且光束的空間偏移量較小,所以該OAM 分束器具有很好的穩(wěn)定性.此外,由于被分開(kāi)的OAM 態(tài)與入射的OAM 態(tài)具有相同的傳播方向,因此該分束器具有很好的可拓展性,便于級(jí)聯(lián)使用.這對(duì)OAM 這一高維光自由度在光通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用有重要意義.

2 OAM 分束器的原理和設(shè)計(jì)

2.1 基于D-PP 引入OAM 模式相關(guān)的相移

將不同OAM 態(tài)的光場(chǎng)分開(kāi)的關(guān)鍵是找到一種能夠引入OAM 模式相關(guān)相移的方法.在文獻(xiàn)[53-55]所提出的方案中,OAM 模式相關(guān)的相移是通過(guò)兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的Dove 棱鏡引入的.本文通過(guò)使用一個(gè)D-PP 來(lái)引入OAM 模式相關(guān)相移.如圖1(a)展示了一束攜帶物體(字母R)信息的光場(chǎng)垂直入射到一個(gè)水平放置的PP,經(jīng)過(guò)兩次全反射前后的情況.有趣的是,當(dāng)以圖1(b)所示的方式旋轉(zhuǎn)PP 時(shí),出射的光場(chǎng)也將會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn).出射的光場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的角度β與PP 被旋轉(zhuǎn)的角度α之間的關(guān)系的計(jì)算過(guò)程如下.定義光束的傳播方向?yàn)?物體位于xoy平面,在二維Hilbert 空間中,旋轉(zhuǎn)操作算符和鏡像操作算符的矩陣為

圖1 D-PP 對(duì)圖像的旋轉(zhuǎn)作用 (a)水平放置的PP 對(duì)圖像(綠色字母R)兩次反射的情況.這里,光束垂直入射到PP 的前表面;(b) PP 的旋轉(zhuǎn)對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)的影響.這里,光束垂直入射到PP 的前表面,PP 的旋轉(zhuǎn)軸平行于入射光束傳播的方向;(c) 以平行于入射光束傳播方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸,PP 相對(duì)于水平放置的旋轉(zhuǎn)角度 α 和經(jīng)過(guò)兩次反射之后的圖像的旋轉(zhuǎn)角度 β 之間的關(guān)系,黑色實(shí)線(xiàn)為理論結(jié)果,黃色填充的紅圈為實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(d) D-PP 的構(gòu)成,由兩個(gè)PP 構(gòu)成.其中一個(gè)PP 相對(duì)于水平放置旋轉(zhuǎn)角度為 α ;另一個(gè)PP 相對(duì)于水平放置旋轉(zhuǎn)角度為-αFig.1.Rotation effect of D-PP on image: (a) Situation where the image (green letter R) experience two reflections in PP placed horizontally,here,the light field is vertically incident on the front surface of PP;(b) the impact of PP rotation on image rotation,here,the light field is vertically incident on the front surface of PP,and the rotation axis of PP is parallel to the direction of propagation of the incident light field;(c) the relationship between the rotation angle α of the PP and the rotation angle β of the image after two reflections,the rotation axis is parallel to the propagation direction of the incident light field,the solid black line represents the theoretical results,and the red circles filled in yellow represent the experimental results;(d) composition of D-PP,a D-PP can be seen as a combination of two PPs,the rotation angle of one PP is α,and the rotation angle of another PP is -α.

經(jīng)歷兩次全內(nèi)反射后,物體由 |O(x,yin)〉演化為 |O(x,yout)〉,如下所示:

(2)式表明出射光場(chǎng)被旋轉(zhuǎn)的角度為 2α,即β=2α.圖1(c)給出了PP 的旋轉(zhuǎn)角度α和出射光場(chǎng)被旋轉(zhuǎn)的角度β之間的關(guān)系的理論(黑實(shí)線(xiàn))和實(shí)驗(yàn)(黃色填充的紅圈)結(jié)果.因此,當(dāng)入射光場(chǎng)攜帶OAM 且拓?fù)浜蓴?shù)為l時(shí),將會(huì)引入e2jlα的相移.由于該相移與OAM 的拓?fù)浜蓴?shù)l相關(guān),故稱(chēng)為OAM 模式相關(guān)的相移.

在我們?cè)O(shè)計(jì)的OAM 分束器中需要用到兩個(gè)PP.一個(gè)PP 相對(duì)于水平放置旋轉(zhuǎn)α,將拓?fù)浜蓴?shù)為l的OAM 入射光場(chǎng)旋轉(zhuǎn) 2α,而另一個(gè)PP 需要相對(duì)于水平放置旋轉(zhuǎn) -α,將另一束拓?fù)浜蓴?shù)為l的OAM 入射光場(chǎng)旋轉(zhuǎn) -2α,如圖1(d)所示.為了提高OAM 分束器的穩(wěn)定性和緊湊性,這里設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的雙Porro 棱鏡,將兩個(gè)PP 的功能集成起來(lái).因此,D-PP 可以在兩束具有相同拓?fù)浜蓴?shù)l的OAM 入射光場(chǎng)中引入一個(gè) e4jlα的相對(duì)相移.我們正是巧妙地利用這一特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一款緊湊的OAM 分束器.

2.2 基于BD 設(shè)計(jì)的OAM 分束器

基于BD 設(shè)計(jì)的OAM 分束器如圖2(a)所示.整個(gè)分束器由一個(gè)BD,一個(gè)直角棱鏡、一個(gè)D-PP和幾個(gè)偏振補(bǔ)償波片等線(xiàn)性光學(xué)元件組成.拓?fù)浜蓴?shù)為l的OAM 入射光場(chǎng)經(jīng)過(guò)偏振補(bǔ)償波片WP1被調(diào)節(jié)為(|H〉a+ejδ|V〉a)|l〉a.其中 |H〉(|V〉)表示水平(豎直)偏振,|l〉表示拓?fù)浜蓴?shù)為l的OAM態(tài),δ是水平偏振和豎直偏振之間的相位差,下角標(biāo)a表示光場(chǎng)所在的位置.進(jìn)入BD 后,水平偏振分量 |H〉a|l〉a和豎直偏振分量 |V〉a|l〉a分別走路徑a1 和a2.在BD 和D-PP 之間有一個(gè)偏振補(bǔ)償波片WP2,用于調(diào)節(jié)兩束光的偏振態(tài),使得光束a1(a2)依次經(jīng)過(guò)WP2 的透射、D-PP 的兩次全反射和WP2 的再次透射之后,偏振態(tài)由水平偏振(豎直偏振)變成豎直偏振(水平偏振).這樣,再次經(jīng)過(guò)BD時(shí),水平偏振的光束a1 變成了光束豎直偏振的b2,豎直偏振的光束a2 變成了光束水平偏振的b1.同時(shí),D-PP 給光束b1 和b2 分別引入了OAM 模式相關(guān)相移 e2jlα和 e-2jlα.因此,WP2 和D-PP 的作用可描述為:,.經(jīng)過(guò)BD 后,光束b1 和b2 在BD 的另一端面處以相干疊加的形式完全重合在一起,變成光束b,(e-2jlα|V〉b+e2jlαejδ|H〉b)|l〉b.隨后,透過(guò)第3 個(gè)偏振補(bǔ)償波片WP3,在一個(gè)直角棱鏡RP 中被全反射兩次,再次透過(guò)WP3,光束b變?yōu)楣馐鴆.這里,WP3 的作用是將光束b中的水平(豎直)偏振變?yōu)楣馐鴆的+45°(-45°)偏振,也即,.最后,光束c再次經(jīng)過(guò)BD,其中水平偏振分量(e-2jlα+e2jlαejδ)|H〉c|l〉c從輸出端口o1 出射,而豎直偏振分量(-e-2jlα+e2jlαejδ)|V〉c|l〉c從輸出端口o2 出射.相應(yīng)的出射功率為

圖2 基于BD 設(shè)計(jì)的OAM 分束器以及不同參數(shù)設(shè)置下的分束情況 (a) OAM 分束器的構(gòu)成和光路圖,其中,WP1,WP2,WP3 表示偏振補(bǔ)償波片,RP 代表直角棱鏡,a,a1,a2,b,b1,b2,c,c1,c2,o1,o2 表示光束在分束器中所走的路徑,右上角為裝置的整體效果圖,左下角為裝置的實(shí)物圖;(b)不同參數(shù)情況下的分束情況,α 為PP 旋轉(zhuǎn)的角度,δ 為WP1 引入的兩束正交偏振光之間的相對(duì)相位差,l 為OAM 拓?fù)浜蓴?shù),Po1 和 Po2為輸出端口 o1 和 o2 的輸出功率Fig.2.OAM beam splitter based on BD and beam splitting under different parameter conditions: (a) Composition of the OAM beam splitter and optical path diagram in it.Here,WP1,WP2,and WP3 represent polarization compensation waveplates;RP represents a right-angle prism.a,a1,a2,b,b1,b2,c,c1,c2,o1,o2 indicate the path of the beam in the beam splitter,the upper right corner shows the overall rendering of the device,the lower left corner shows the physical image of the device;(b) beam splitting under different parameter conditions,α is the rotation angle of PP,δ is the relative phase difference between the two orthogonal polarized beams introduced by WP1,l is the topological charge of OAM,Po1 and Po2 are the output powers of the output ports o1 and o2.

(3)式表明,出射功率Po1和Po2由α,δ和l共同決定.圖2(b)給出了參數(shù) (α,δ),OAM 狀態(tài)|l〉和輸出功率Po1,Po2之間的關(guān)系,當(dāng)參數(shù) (α,δ) 取合適的值時(shí),不同的OAM 態(tài)可以被完全分開(kāi).當(dāng)(α,δ)=(π/4,0)時(shí),Po1(l=2m-1)=0,Po2(l=2m-1)=1,Po1(l=2m)=1,Po2(l=2m)=0 .這里m為整數(shù).這些結(jié)果表明: 拓?fù)浜蓴?shù)為偶數(shù)的OAM 態(tài) |2m〉與拓?fù)浜蓴?shù)為奇數(shù)的OAM 態(tài)|2m-1〉將彼此分開(kāi),且分別從輸出端o1,o2 輸出.當(dāng) (α,δ)=(π/8,π/2)時(shí),Po1(l=4m-3)=0,Po2(l=4m-3)=1,Po1(l=4m-1)=1,Po2(l=4m-1)=0.這些結(jié)果表明OAM 態(tài)|4m-1〉與 |4m-3〉將彼此分開(kāi),且分別從輸出端o1 和o2 輸出.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)搭建了OAM 分束器裝置,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的OAM 分束器的可行性.實(shí)驗(yàn)中,先用一束基模高斯光束入射在一個(gè)空間光調(diào)制器上,以制備出我們想要的OAM 態(tài).然后,將制備好的OAM 光束入射到搭建好的OAM 分束器上.然后探測(cè)從OAM 分束器的兩個(gè)輸出端出射的光場(chǎng)的功率和模式.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示.當(dāng) (α,δ)=(π/4,0)時(shí),Po1(1)=0,Po2(1)=1,Po1(2)=1,Po2(2)=0 ;此時(shí),OAM|1〉態(tài)從輸出端o2 輸出,OAM |2〉態(tài)從輸出端o1 輸出 (圖3(a)).當(dāng) (α,δ)=(π/8,π/2)時(shí),Po1(1)=0,Po2(1)=1,Po1(3)=1,Po2(3)=0 ;此時(shí),OAM |1〉 態(tài)從輸出端o2 輸出,OAM |3〉態(tài)從輸出端o1 輸出,如圖3(b)所示.定義對(duì)比度為V(l)=Pmax(l)/Ptot(l),其中Ptot(l) 表示當(dāng)入射OAM態(tài)為 |l〉 時(shí),所有輸出端的出射光場(chǎng)功率之和;Pmax(l) 表示多個(gè)輸出端口輸出功率的最大功率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所有對(duì)比度均超過(guò)96%,證明我們的OAM 分束器具有良好的分束效果.

圖3 不同參數(shù)下不同拓?fù)浜蓴?shù)OAM 態(tài)分束的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a)參數(shù)設(shè)置為 (α,δ)=(π/4,0)時(shí),OAM 態(tài) |1〉 和 |2〉 分束的結(jié)果;(b)參數(shù)設(shè)置為 (α,δ) =(π/8,π/2)時(shí),OAM 態(tài) |1〉 和 |3〉 分束的結(jié)果,圖中的百分?jǐn)?shù)表示對(duì)某種入射OAM 態(tài),不同端口的輸出功率相對(duì)于所有端口輸出的總功率的比值Fig.3.Experimental results of beam splitting of OAM states with different topological charges in OAM sorter with different parameters: (a) Results of beam splitting of OAM states |1〉 and |2〉 when the parameters are set as (α,δ) =(π/4,0);(b) results of beam splitting of OAM states |1〉 and |3〉 when the parameters are set as (α,δ)=(π/8,π/2),each percentage represents the ratio of each output power to the total output power of all ports for a certain incident OAM state.

此外,還測(cè)試了級(jí)聯(lián)情況下的分束情況.實(shí)驗(yàn)中,將第1 級(jí)的一個(gè)OAM 分束器的參數(shù)設(shè)為 (α,δ)=(π/4,π),將第2 級(jí)的兩個(gè)OAM 分束器的參數(shù)分別設(shè)為 (α,δ)=(π/8,3π/2)和 (α,δ)=(π/8,π).選用 |1〉,|2〉,|7〉和 |8〉作為入射的OAM態(tài).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示,可以看到4 個(gè)不同的OAM 態(tài)被非破壞地分開(kāi),之后從不同的輸出端口輸出,且對(duì)比度在92%以上.

圖4 級(jí)聯(lián)情況下的分束情況 (a)級(jí)聯(lián)OAM 分束器.針對(duì)要分開(kāi)的OAM 態(tài)為 |1〉,|2〉, |7〉和 |8〉,第1 級(jí)的OAM 分束器參數(shù)設(shè)為 (α,δ)=(π/4,π),第2 級(jí)的兩個(gè)OAM 分束器分別設(shè)置為 (α,δ)=(π/8,3π/2)和 (α,δ)=(π/8,π),級(jí)聯(lián)后,有o1o1,o1o2,o2o1 和o2o2 四個(gè)輸出端口;(b)級(jí)聯(lián)OAM 分束器對(duì)OAM 態(tài) |1〉,|2〉,|7〉和 |8〉分束的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖中的百分?jǐn)?shù)表示對(duì)某種入射OAM 態(tài),不同端口的輸出功率相對(duì)于所有端口輸出的總功率的比值Fig.4.Beam splitting in the cascading case: (a) Cascaded OAM beam splitters.Due to that the OAM states to be separated are|1〉,|2〉,|7〉and |8〉,the parameters of the first stage OAM splitter are set as (α,δ)=(π/4,π),and the two OAM splitters of the second stage are set as (α,δ)=(π/8,3π/2) and (α,δ) =(π/8,π),respectively,after cascading,there are four output ports,o1o1,o1o2,o2o1,and o2o2;(b) experimental results of cascading OAM beam splitters for OAM states |1〉,|2〉,|7〉 and |8〉,each percentage represents the ratio of each output power to the total output power of all ports for a certain incident OAM state.

這里需要說(shuō)明的是,在我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,被探測(cè)的OAM 態(tài)的光場(chǎng)強(qiáng)度分布除了中心亮環(huán)外,還有一個(gè)或多個(gè)更大的外環(huán),這是由于空間光調(diào)制器的調(diào)制效果的不完美導(dǎo)致的[61].

4 結(jié)論

本文首先討論了如何基于D-PP 引入OAM模式相關(guān)的相移,進(jìn)而基于BD 設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定、緊湊、無(wú)損的OAM 分束器.整個(gè)分束器由一塊BD、一個(gè)直角棱鏡、一塊D-PP、幾塊偏振補(bǔ)償晶體等線(xiàn)性光學(xué)元件組成.我們加工出相應(yīng)的光學(xué)元件,組建了OAM 分束器.實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)參數(shù)設(shè)置為 (α,δ)=(π/4,π)時(shí),實(shí)現(xiàn)了OAM 態(tài) |1〉和|2〉的分束;當(dāng)參數(shù)設(shè)置為 (α,δ)=(π/8,π/2)時(shí),實(shí)現(xiàn)了OAM 態(tài) |1〉和 |3〉的分束;對(duì)比度均超過(guò)96%.此外,還測(cè)試了級(jí)聯(lián)情況下的分束情況.當(dāng)?shù)? 級(jí)的分束器的參數(shù)設(shè)為 (α,δ)=(π/4,π),第2 級(jí)的兩個(gè)OAM 分束器的參數(shù)分別設(shè)為 (α,δ)=(π/8,3π/2)和 (α,δ)=(π/8,π)時(shí),實(shí)現(xiàn)了OAM 態(tài) |1,|2〉,|7〉和 |8〉的分束,且對(duì)比度都在92%以上.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性.和基于一對(duì)Dove 棱鏡設(shè)計(jì)的OAM 分束器相比,在我們?cè)O(shè)計(jì)的OAM 分束器中,所使用的光學(xué)元件彼此緊密地貼合在一起,微型Mach-Zehnder 干涉儀中的光束經(jīng)過(guò)的光學(xué)元件完全相同,且光束的空間偏移量較小,因此OAM 分束器具有更好的穩(wěn)定性.此外,由于被分開(kāi)的OAM 態(tài)與入射的OAM 態(tài)具有相同的傳播方向,因此該分束器具有很好的可拓展性,便于級(jí)聯(lián)使用.我們的設(shè)計(jì)對(duì)OAM 這一高維自由度在光通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義.