【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光参量探测技术，具体涉及一种左右圆偏振态快速响应的光轨道角动量高速探测器及其探测方法。
技术介绍
1、近期在基于轨道光电流效应(orbital photogalvanic effect,opge)的光轨道角动量(orbital angular momentum,oam)直接探测方面取得的进展，提供了一种有效的光oam片上直接电读出的方法，以及大规模集成焦平面阵列器件的途径。opge响应是由光的螺旋相位梯度驱动的，由空间分布不均匀的光场与材料的电四极矩和磁偶极矩相互作用产生的光电流响应，oam量子数可以通过opge响应的圆偏振依赖成分的量子化取值区分。目前已经发现的oam敏感材料包括两类，一类为第二类外尔半金属材料，包括wte2和tairte4，另一类为多层石墨烯(multilayer graphene,mlg)材料。尽管基于mlg的光oam直接光电探测器的提出大大提高了基于opge的oam探测器的响应度和信噪比，但该工作仍然存在探测速度上的不足。这是因为从光电流响应中识别oam量子数需要提取opge响应的圆偏振依赖成分，实验上，则需要在探测器前设置偏振调制模块，不断切换入射光的左右圆偏振态，分别测量左右圆偏振光激发下的光电流响应，并计算二者的差值来获得圆偏振依赖成分。目前，基于opge的oam探测工作均采用相同的偏振调制手段，即在探测器前设置偏振片和四分之一波片，通过旋转四分之一波片切换入射光的左右圆偏振态，这种偏振调制方法称为机械调制。目前，受限于机械调制方法的调制速度限制，以及相应的圆偏振依赖成分提取方法的速度
技术实现思路
1、针对以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种左右圆偏振态快速响应的光轨道角动量高速探测器及其探测方法。
2、本专利技术的一个目的在于提出一种左右圆偏振态快速响应的光轨道角动量高速探测器。
3、本专利技术的左右圆偏振态快速响应的光轨道角动量高速探测器包括：高速偏振调制模块、轨道角动量光电探测器和外部的检测电路；其中，
4、高速偏振调制模块包括固定偏振方向的偏振片和光弹调制器；偏振片置于光弹调制器的前端，用于调节进入光弹调制器的携带轨道角动量的光束的初始偏振；光弹调制器包括光学端和电学端两部分，其中光学端包括光学晶体和位于光学晶体两侧的压电换能器，电学端包括电子驱动电路和控制器，压电换能器连接至电子驱动电路，电子驱动电路连接控制器，电子驱动电路根据控制器提供的参数信号为光学端的压电换能器施加正弦变化的驱动电压，从而周期性的压缩和拉伸光学晶体；驱动电压的频率与光学晶体的共振频率相匹配，光学晶体内形成驻波，并周期性的改变光学晶体的双折射性质；携带轨道角动量的光束透过光学晶体，光学晶体为携带轨道角动量的光束沿两个相互垂直于光轴方向的偏振分量附加一个正弦变化的相位差，从而周期性的改变携带轨道角动量的光束的偏振态，其中光学晶体附加的正弦变化的相位差的峰值通过光弹调制器的控制器提供的参数设定；通过调节偏振片的偏振方向，使之与光学晶体的两个光轴夹角为45°，并设置相位差的峰值为非零，使得通过光学晶体的携带轨道角动量的光束的偏振态周期性变化，从而经过光弹调制器的调制，在光弹调制器的一个工作周期内，携带轨道角动量的光束经历一次左圆偏振态和一次右圆偏振态；
5、轨道角动量探测器包括基底、探测材料和电极结构；其中，基底的上表面不导电，在基底的上表面设置探测材料；在探测材料上设置电极结构，电极结构包括第一、第二探测电极和接触电极；其中，第一和第二探测电极的形状分别为两个半径不同的同心的部分圆环形，第一探测电极的内径大于第二探测电极的外径，且第一探测电极位于第二探测电极的外侧；第一电极和第二电极分别连接接触电极，并通过接触电极连接至外部的检测电路；携带轨道角动量的光束经过光弹调制器的调制，垂直入射至探测材料且位于第一与第二探测电极之间，在探测材料中产生面内的净电流，净电流具有径向光电流分量和角向光电流分量；携带轨道角动量的光束的偏振态的左圆偏振态与右圆偏振态激发的径向光电流响应具有差值，左右圆偏振光激发下的径向光电流响应的差值为径向光电流响应的圆偏依赖成分，其中，当光轨道角动量的量子数变化时，径向光电流响应的圆偏依赖成分大小也随之变化，当光轨道角动量的量子数反转符号时，径向光电流响应的圆偏依赖成分的方向也反向；携带轨道角动量的光束在光弹调制器的一个工作周期内经历一次左圆偏振态和一次右圆偏振态，从而径向光电流响应的圆偏依赖成分经历同样的周期性变化，并具有与光弹调制器的工作频率相同的频率；第一和第二探测电极收集径向光电流响应并输出至外部的检测电路；
6、外部的检测电路通过锁相放大技术提取出径向光电流响应中与光弹调制器的工作频率同频的成分，获得径向光电流响应的圆偏依赖成分；从径向光电流响应的圆偏依赖成分直接获得光轨道角动量的信息，从而实现在环境温度下探测到光谱范围广且快速响应的光轨道角动量的信息。
7、光弹调制器的控制器输出一个参数信号给电子驱动电路，电子驱动电路根据控制器的信号调节驱动电压的峰值，进而调节相位差的峰值为设定的参数。相位差的峰值为π/2时响应最好。光学晶体采用硒化锌、熔融石英、氟化钙或硅。
8、携带轨道角动量且偏振态为圆偏振态的光束，形状为圆环形，光束的外径小于第一探测电极的内径且光束的内径大于第二探测电极的外径；携带轨道角动量的光束的光学相位在方位角方向变化，具有螺旋相位梯度。圆环形的光束位于第一探测电极与第二探测电极之间，光束携带垂直于光束传播方向的电场和平行于光束传播方向的磁场。
9、携带轨道角动量的光束垂直入射至探测材料中，产生平行于探测材料平面的电场和垂直于探测材料平面的磁场，即面内电场和面外磁场；面内电场和面外磁场共同引起探测材料中载流子的空间不平衡，从而在探测材料中产生面内的净电流，其具有垂直于螺旋相位梯度和平行于螺旋相位梯度的两个分量，即径向光电流分量和角向光电流分量。
10、轨道角动量探测器的探测速度与锁相放大器的积分时间相当，其理论上限取决于光弹调制器的工作频率和轨道角动量探测器的opge信噪比。目前，基于工作频率为50khz的光弹调制器和轨道角动量探测器，能够实现高达1khz的探测速度，相比传统的oam探测方法大4～5个数量级。光弹调制器的工作频率为指驱动电压的频率，驱动电压的频率等于光学晶体的共振频率；光学晶体的共振频率为20khz～100khz。
11、基底的上表面不导电，基底包括衬底和不导电层，在下层的衬底的上表面形成不导电层。
12、轨道角动量探测器的探测材料采用第二类外尔半金属或多层石墨烯；第二类外尔半金属采用本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种左右圆偏振态快速响应的光轨道角动量高速探测器，其特征在于，所述光轨道角动量高速探测器包括：高速偏振调制模块、轨道角动量光电探测器和外部的检测电路；其中，所述高速偏振调制模块包括固定偏振方向的偏振片和光弹调制器；偏振片置于光弹调制器的前端，用于调节进入光弹调制器的携带轨道角动量的光束的初始偏振；光弹调制器包括光学端和电学端两部分，其中光学端包括光学晶体和位于光学晶体两侧的压电换能器，电学端包括电子驱动电路和控制器，压电换能器连接至电子驱动电路，电子驱动电路连接控制器，电子驱动电路根据控制器提供的参数信号为光学端的压电换能器施加正弦变化的驱动电压，从而周期性的压缩和拉伸光学晶体；驱动电压的频率与光学晶体的共振频率相匹配，光学晶体内形成驻波，并周期性的改变光学晶体的双折射性质；携带轨道角动量的光束透过光学晶体，光学晶体为携带轨道角动量的光束沿两个相互垂直于光轴方向的偏振分量附加一个正弦变化的相位差，从而周期性的改变携带轨道角动量的光束的偏振态，其中光学晶体附加的正弦变化的相位差的峰值通过光弹调制器的控制器提供的参数设定；通过调节偏振片的偏振方向，使之与光学晶体的两个光轴夹角为4
2.如权利要求1所述的光轨道角动量高速探测器，其特征在于，所述光学晶体采用硒化锌、熔融石英、氟化钙或硅。
3.如权利要求1所述的光轨道角动量高速探测器，其特征在于，所述携带轨道角动量且偏振态为圆偏振态的光束，形状为圆环形，光束的外径小于第一探测电极的内径且光束的内径大于第二探测电极的外径；携带轨道角动量的光束的光学相位在方位角方向变化，具有螺旋相位梯度。
4.如权利要求1所述的光轨道角动量高速探测器，其特征在于，所述轨道角动量探测器的探测材料采用第二类外尔半金属或多层石墨烯。
5.如权利要求1所述的光轨道角动量高速探测器，其特征在于，所述第一和第二探测电极的部分圆环形占整个圆环形的比例相同，且中心线重合，占比为1/4～3/4；第一和第二探测电极的宽度为2～6μm；第一探测电极与第二探测电极之间的距离为4～12μm。
6.如权利要求1所述的光轨道角动量高速探测器，其特征在于，所述外部的检测电路包括：前置放大器、锁相放大器和计算机；其中，轨道角动量探测器的第一和第二探测电极分别连接至前置放大器；前置放大器连接至锁相放大器的光电流信号输入端，锁相放大器的参考信号输入端同时连接光弹调制器的电学端；锁相放大器的输出端连接至计算机；由第一和第二探测电极收集的径向光电流响应经过前置放大器放大后输入至锁相放大器中，根据光弹调制器的电学端的电子驱动电路提供的调制频率作为参考信号直接提取径向光电流响应的圆偏依赖成分，并传输至计算机，计算机通过径向光电流响应的圆偏依赖成分的大小和方向直接获得光轨道角动量的量子数的大小和符号。
7.一种如权利要求1所述左右圆偏振态快速响应的光轨道角动量高速探测器的探测方法，其特征在于，所述探测方法包括以下步骤：
8.如权利要求7所述的探测方法，其特征在于，在步骤1)的a)中，驱动电压的频率10kHz～10MHz。
9.如权利要求7所述的探测方法，其特征在于，在步骤2)的a)中，垂直入射至探测材料的携带轨道角动量的光束的光学相位在方位角方向变化，具有空间梯度的面内电场和面外磁场共同引起探测材料中载流子的空间不平衡，基于探测材料的二维线性能带结构，以及
10.如权利要求7所述的探测方法，其特征在于，在步骤3)的b)中，通过径向光电流响应的圆偏依赖成分的大小和方向，获得光轨道角动量的量子数的大小和符号。
...【技术特征摘要】
1.一种左右圆偏振态快速响应的光轨道角动量高速探测器，其特征在于，所述光轨道角动量高速探测器包括：高速偏振调制模块、轨道角动量光电探测器和外部的检测电路；其中，所述高速偏振调制模块包括固定偏振方向的偏振片和光弹调制器；偏振片置于光弹调制器的前端，用于调节进入光弹调制器的携带轨道角动量的光束的初始偏振；光弹调制器包括光学端和电学端两部分，其中光学端包括光学晶体和位于光学晶体两侧的压电换能器，电学端包括电子驱动电路和控制器，压电换能器连接至电子驱动电路，电子驱动电路连接控制器，电子驱动电路根据控制器提供的参数信号为光学端的压电换能器施加正弦变化的驱动电压，从而周期性的压缩和拉伸光学晶体；驱动电压的频率与光学晶体的共振频率相匹配，光学晶体内形成驻波，并周期性的改变光学晶体的双折射性质；携带轨道角动量的光束透过光学晶体，光学晶体为携带轨道角动量的光束沿两个相互垂直于光轴方向的偏振分量附加一个正弦变化的相位差，从而周期性的改变携带轨道角动量的光束的偏振态，其中光学晶体附加的正弦变化的相位差的峰值通过光弹调制器的控制器提供的参数设定；通过调节偏振片的偏振方向，使之与光学晶体的两个光轴夹角为45°，并设置相位差的峰值为非零，使得通过光学晶体的携带轨道角动量的光束的偏振态周期性变化，从而经过光弹调制器的调制，在光弹调制器的一个工作周期内，携带轨道角动量的光束经历一次左圆偏振态和一次右圆偏振态；
2.如权利要求1所述的光轨道角动量高速探测器，其特征在于，所述光学晶体采用硒化锌、熔融石英、氟化钙或硅。
3.如权利要求1所述的光轨道角动量高速探测器，其特征在于，所述携带轨道角动量且偏振态为圆偏振态的光束，形状为圆环形，光束的外径小于第一探测电极的内径且光束的内径大于第二探测电极的外径；携带轨道角动量的光束的光学相位在方位角方向变化，具有螺旋相位梯度。
4.如权利要求1所述的光轨道角动...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙栋，杨德鸿，徐畅，赖佳伟，范子璞，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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