CN110231088B

CN110231088B - 基于量子弱测量的oam光束重心位移测量装置及方法

Info

Publication number: CN110231088B
Application number: CN201910409422.7A
Authority: CN
Inventors: 朱文国; 余健辉; 陈哲; 龙文进; 郑华丹; 唐洁媛
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: CN110231088A

Abstract

本发明公开了一种基于量子弱测量的轨道角动量光束重心位移测量装置及方法，通过设置合适的偏振态制备器和偏振态选择器作为弱测量系统的前选择态和后选择态，使经过位移发生装置‑空气界面反射的OAM光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态接近正交。并利用量子弱测量的放大效应，使OAM光束重心位移可直接使用普通光电探测器测得，如普通CCD；测量装置结构简单，成本低，测量方法简单易上手；同时，本发明适用于测量不同阶数的涡旋光、研究不同入射角对OAM光束重心位移的影响；有望在生物医学、生命科学、分析化学、物理学、材料学等多个技术领域取得重要的应用价值。

Description

基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学仪器领域，更具体地，涉及一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置及方法。

背景技术

轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)光束重心位移是指因光轨道霍尔效应(photonic orbital Hall effect)而产生的现象。所述的轨道霍尔效应是指携带内在轨道角动量的光束(如：涡旋光)，经过界面反射或透射时，产生光束重心位移的现象，所述光束重心的运动是与轨道-轨道相互作用相关的。研究OAM光束重心的微小位移有助于对光子的自旋和轨道霍尔效应理解的全面性，能够加深对涡旋光偏移特性的了解，挖掘其潜在的应用价值。

OAM光束重心的位移是极其微小的，现有技术中，测量该位移大小需采用非常精密、复杂的光学仪器，不能通过简单的仪器实现有效、精细的位移测量，相关的测量方法也较为复杂，增加了仪器和时间的成本，研究的可操作性受到限制，不利于光轨道霍尔效应的研究。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置及方法，通过简单、常见的测量仪器组合实现了有效的OAM光束重心位移测量，对应的弱测量方法能够有效放大位移值，有利于直接使用普通光电探测器测量，如CCD、位置传感器等，所述测量值可精准至百微米级别，实现了精细、方便、快捷的测量。

本发明采取的技术方案是，一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置，包括：发光装置，用于发出光束，产生普通的光束；OAM光束产生器，用于接收所述光束，并将其转变为OAM光束；偏振态制备器，用于接收所述OAM光束并将其转变为线偏振光；位移发生装置，用于接收所述线偏振光并对所述线偏振光进行反射，反射的偏振光带有第一偏振态，反射前的偏振光带有入射偏振态，入射偏振态与第一偏振态不同。

偏振态选择器，接收所述位移发生装置反射的偏振光，且设有第二偏振态，所述第二偏振态与所述第一偏振态形成量子弱测量光路，所述第二偏振态与第一偏振态的夹角为90°±Δ，Δ≤5°；光电探测器，用于接收和/或记录偏振态选择器作用后的偏振光。

由发光装置发出的光束经OAM光束产生器变成携带轨道角动量的涡旋光，继而经过偏振态制备器变成线偏振光。线偏振光经空气-位移发生装置界面反射，反射后的偏振光经偏振态选择器后由光电探测器接收；从位移发生装置反射处的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分，两个偏振态接近正交，以使光探测器接收到的光强信号最小，位置变化更加直观。

利用少量而简单的仪器实现了OAM光束的产生、重心位移、重心位移测量过程，接近正交的第一偏振态、第二偏振态形成量子弱测量光路，从而有效的利用了量子弱测量中的放大效应，使得经偏振态选择器后的光束被常用的光电探测器记录，不需要非常精密的仪器。

所述发光装置包括光源发生器、设置于光源发生器出射光路上的扩束器以及改变光线方向的光束变向装置；所述光源发生器用于发出光束；所述扩束器用于扩大平行输入光束的直径至较大的平行输出光束，有助于光束的处理和被探测；所述光束变向装置用于改变扩大直径后的平行输出光束的方向，有助于光束到达下一部件。

优选的，所述光源发生器为激光器或激光二极管或超辐射发光二极管或白光发生器或量子光源发生器，可操作性强，成本低；

优选的，所述光束变向装置为反射镜或棱镜，用于反射光束，有助于光束转向至OAM光束产生器。

所述OAM光束产生器为空间光调制器或涡旋相位片，将普通光束转变为带有轨道角动量的光束，为测量装置提供测量条件。

所述偏振态制备器包括一个以上透镜组成的透镜组、光束能量调节器、光阑以及第一偏振器；所述透镜组用于成像、放大光束和过滤散光；

优选的，透镜组由三个透镜组成，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜；所述OAM光束依次经第一透镜、光束能量调节器、光阑、第二透镜、第三透镜到达第一偏振器。所述第一透镜用于配合光阑过滤杂散光，所述光束能量调节器用于调节光束能量，所述第二透镜用于放大光束，所述第三透镜用于成像，将位移发生装置反射点处的光斑成像于光电探测器上。OAM光束经偏振态制备器后杂散光被去除，通过制备器中的光束能量调节器调整光束能量，提供易被探测、观测的光束，并通过多个透镜的结合，实现放大光束、成像的有益效果，有助于光电探测器上记录并形成直观的图像。所述第一偏振器将OAM光束转变为线偏振光，使得进入位移发生装置的偏振态更加纯净、单一，方便后续的测量与计算。

优选的，所述光束能量调节器为二分之一玻片或中性衰减片。所述二分之一波片通过调节光轴方向与入射光偏振方向的夹角实现对光能量的调节；有助于调整光强，从而获得较佳的成像。

优选的，所述第一偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜，将原OAM光束转变成振动方向由偏振器偏振方向所决定的线偏振光。

所述位移发生装置为棱镜，所述棱镜具备折射率n，且折射率n大于空气折射率n₀，提供OAM光束重心位移的前提条件，此外，所述折射率n可通过光路产生过程中的数据计算获得；所述棱镜可以为三棱镜、四棱镜、五棱镜等。

优选的，所述位移发生装置的空气-位移发生装置界面应能够提供一个梯度变化的折射率，提供光轨道霍尔效应产生的外部条件。

所述偏振态选择器包括相位补偿器、第二偏振器；所述相位补偿器用于将位移发生装置反射的线偏振光转变为椭圆偏振光或圆偏振光，有助于结合第二偏振器中的偏振态形成线偏振光，继而发射至光电探测器，有助于光电探测器记录图像的分析、计算；所述第二偏振器设有第二偏振态，所述第二偏振态与所述第一偏振态接近正交，第二偏振态与第一偏振态的夹角为90°±Δ，Δ≤5°，形成量子弱测量光路，有助于被测光束的放大效应。

优选的，所述相位补偿器为四分之一波片；

优选的，所述第二偏振器为格兰激光偏振镜或偏振分光镜。

所述光电探测器为电荷耦合元件或位置传感器或光电倍增管，用于接收和记录经偏振态选择器作用后的偏振光光斑图，有助于进一步计算、分析OAM光束重心位移的大小。

一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量方法，包括：

S1、发光装置发出光束至OAM光束产生器，所述OAM光束产生器接受光束并将光束转变为OAM光束，然后OAM光束发射至偏振态制备器；所述OAM光束经过偏振态制备器转变为线偏振光到达位移发生装置；

S2、位移发生装置接收线偏振光并通过位移发生装置-空气界面反射至偏振态选择器，反射的线偏振光经偏振态选择器后到达光电探测器；

S3、调节上述步骤中OAM光束重心位移测量装置产生的光路，使位移发生装置反射的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分，两个偏振态之间的夹角为90°±Δ，Δ不大于5°，此时第一偏振器处于角度

第二偏振器角度为

通过该步骤即可获得第一偏振器角度为

第二偏振器角度为

时的OAM光束重心位移，经过弱测量光路后，光束重心位移约被放大10000倍，此时即可直接通过光电探测器返回的光斑图进行第一偏振器角度为

第二偏振器角度为

时的OAM光束重心位移计算或简单测量。

S4、在上述步骤的基础上，固定位移发生装置入射角度θ为0-90°中某一值，然后固定第二偏振器角度为

并对第一偏振器进行调节使其角度为

通过多次调节第一偏振器角度获得多个

并通过光电探测器记录并存储每一个

所对应的光斑图。在上述步骤的基础上，第一偏振态与第二偏振态接近正交的前提下，继续测量多个入射角度下OAM光束的重心位移；由于入射角度的改变会引起第一偏振态的改变，在上述步骤基础上研究多个第一偏振态下的位移情况能够验证OAM光束重心位移测量的准确性，即本步骤包括验证步骤。本步骤获得多个第一偏振态下的OAM光束重心位移情况，并通过多个实验重心位移和对应的多个理论重心位移的比较验证本测量装置的准确性。此外，通过多个第一偏振器的角度获取多个入射角度下OAM光束的重心位移情况，有助于研究入射角度对OAM光束重心位移的影响。进一步的，在上述步骤的基础上还可调整OAM光束的阶数，从而获取多个阶数下、多个入射角度下的OAM光束重心位移光斑图。根据多个光斑图所对应的的偏移值，可获得对应的实验重心位移、理论重心位移情况，从而获得对应的实验曲线、理论曲线对比，验证实验重心位移与理论重心位移是否相近，验证测量结果的准确性。

S5、处理S4步骤得到的一系列光斑图；以

所对应的光斑图的光斑重心为零点，

对应的光斑图的光斑重心在x方向的偏移值记为X，在y方向的偏移值记为Y，从而实现OAM光束重心位移的测量过程验证。

所述步骤S2中位移发生装置反射的偏振光到达偏振态选择器后，依次经过相位补偿器、第二偏振器，所述相位补偿器将所述线偏振光转变为圆偏振光或椭圆偏振光，所述第二偏振器设有第二偏振态。

优选的，所述相位补偿器为四分之一波片。

优选的，所述第一偏振器、第二偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜。

优选的，所述光电探测器为电荷耦合元件或位置传感器或光电倍增管，用于接收和记录经偏振态选择器作用后的偏振光，有助于提供计算、分析的图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.利用量子弱测量放大效应使OAM光束重心位移直接可测；

2.测量装置结构简单；

3.测量装置精度高达百微米级别；

4.测量方法简单易上手；

5.适用于测量不同阶数的涡旋光、不同入射角对OAM光束重心位移的影响；

6.对环境噪声和技术噪声具有强烈的抑制作用。

附图说明

图1为基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置的结构图；

图2为1、3、5阶OAM光束测量光斑图、理论仿真图的对比图；

图3为OAM光束重心位移在x方向偏移值X与在y方向偏移值Y的实验、理论对比图。

图1中：1、发光装置，2、OAM光束产生器，3、偏振态制备器，4、棱镜，5、偏振态选择器，6、光电探测器，7、光源，8、扩束器，9、反射镜，10、透镜，11、能量调整器，12、光阑，13、透镜，14、透镜，15、偏振器，16、相位补偿器，17、偏振器。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量装置，包括：发光装置1，用于发出光束，产生普通的光束；OAM光束产生器2，用于接收所述光束，并将其转变为OAM光束；偏振态制备器3，用于接收所述OAM光束并将其转变为线偏振光；位移发生装置为三棱镜4，用于接收所述线偏振光并对所述线偏振光进行反射，反射的偏振光带有第一偏振态；偏振态选择器5，接收所述棱镜反射的偏振光，且设有第二偏振态，所述第二偏振态与所述第一偏振态形成量子弱测量光路，所述第二偏振态与第一偏振态的夹角为90°±Δ，Δ≤5°；光电探测器，用于接收和/或记录偏振态选择器作用后的偏振光。

由发光装置1发出的光束经OAM光束产生器2变成携带轨道角动量的涡旋光，继而经过偏振态制备器3变成线偏振光。线偏振光或圆偏振光经空气-棱镜4界面反射，反射后的偏振光经偏振态选择器5后由光电探测器6接收；从棱镜4反射处的光束偏振态与偏振态选择器5设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分，两个偏振态接近处置，以使光电探测器6接收到的光强信号最小，位置变化更加直观。

所述发光装置包括光源发生器7、设置于光源发生器7出射光路上的扩束器8以及改变光线方向的光束变向装置9，所述光束变相装置9为反射镜；所述光源发生器7用于发出普通光束至扩束器8，扩束器8扩大输入光束的直径至并输出至光束变向装置9用于改变光束方向，有助于光束到达OAM光束产生器2。

本实施例中采用的光源发生器为氦氖激光器，光束变向装置为反射镜，OAM光束产生器为空间光调制器。

所述偏振态制备器3包括第一透镜10、第二透镜13、第三透镜14、光束能量调节器11、光阑12以及第一偏振器15；OAM光束产生器接收普通光束并发出OAM光束至偏振态制备器3，依次经第一透，10、光束能量调节器11、光阑12、第二透镜13、第三透镜14到达第一偏振器15。第一透镜10配合光阑12过滤OAM光束的杂散光，光束能量调节器13调节所述光束的能量，第二透镜13对由光阑通过的光束进行放大，第三透镜14将由第二透镜13通过的光束成像形成光斑，并通过棱镜4反射至光电探测器6实现光电探测器6的图像记录。在光束到达棱镜4之前，还需经第一偏振器15将OAM光束转变为线偏振光。

本实施例中采用的光束能量调节器为二分之一玻片，第一偏振器为为格兰激光偏振棱镜。

所述棱镜4接收第一偏振器15发出的线偏振光，并通过棱镜-空气界面对偏振光进行反射，反射后的偏振光到达偏振态选择器5。

本实施例中的棱镜4为三棱镜，具备折射率n，且折射率n大于空气折射率n₀。

所述偏振态选择器5包括相位补偿器16、第二偏振器17；所述相位补偿器16接收棱镜4反射的线偏振光，并将棱镜4反射的线偏振光转变为椭圆偏振光或圆偏振光，所述椭圆偏振光或圆偏振光与第二偏振器17设定的第二偏振态结合形成线偏振光，并投射至光电探测器6；所述第二偏振态，所述第二偏振态与所述第一偏振态接近正交，第二偏振态与第一偏振态的夹角为90°±Δ，Δ≤5°，形成量子弱测量光路，有助于被测光束的放大效应。

本实施例中采用的相位补偿器为四分之一波片，第二偏振器为格兰激光偏振镜。

光电探测器6接收经第二偏振器17作用的偏振光，并记录所述偏振光形成的光斑图。

本实施例中的光电探测器6为电荷耦合元件CCD。

具体实施原理：所述氦氖激光器7发出激光，通过扩束器8、反射镜9作用后，光斑布满整个空间光调制器2的调制原件，使其产生高质量的涡旋光。涡旋光通过第一透镜10后，焦点落在光阑12上，光阑可以去除杂散光，继而由一个二分之一玻片11调出合适的光强。然后由第二透镜13、第三透镜14将光束在棱镜4反射点处的重心位移情况在电荷耦合元件CCD6处成像，并由CCD6记录下图像。当光束经过第一偏振器15时变成线偏振光，，所述线偏振光在空气-棱镜界面反射，反射后线偏振光的偏振态作为弱测量的前选择态ψ_i，由于受到一梯度折射率的影响，光束在这里发生光轨道霍尔效应而使OAM光束的重心发生微小位移(设为可观测值

)。反射的线偏振光经过相位补偿器16后变成圆偏振光。第二偏振器17设置的偏振态(作为弱测量的后选择态ψf)应满足从棱镜反射出的光束偏振态与该偏振器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分，两个偏振态之间的夹角为90°±Δ，Δ不大于5°。那么最终弱值A_w(即可直接观测的位移值)可由公式(i)表示：

当两个偏振态之间的夹角为90°±Δ，Δ不大于5°时，即前后选择态近乎正交，将可得到一个无限放大的位移值，实际放大倍数约为10000倍。根据上述理论，容易计算并获得OAM光束的重心位移值。

实施例2

如图1所示，一种基于量子弱测量的OAM光束重心位移测量方法，包括：

S1、OAM光束由空间光调制器转变普通光束而成，所述OAM光束为l阶涡旋光，所述OAM光束通过第一透镜10、光束能量调节器11、光阑12、第二透镜13、第三透镜14到达第一偏振器15，并由第一偏振器15转变成线偏振光，此时第一偏振器15角度为

S2、棱镜4接收线偏振光并在棱镜-空气界面反射偏振光至第二偏振器17，所述线偏振光-棱镜的入射角为θ，反射的偏振光带有第一偏振态，反射的偏振光经过相位补偿器16到达第二偏振器，所述相位补偿器为四分之一玻片，角度为45°，光束经相位偏振器后到达第二偏振器17，所述第二偏振器角度为

第二偏振器17设定的第二偏振态作用于椭圆偏振光或圆偏振光，将其转变为线偏振光并发射至光电探测器6；此时第二偏振器角度为

所述第二偏振器设定有第二偏振态，与所述第一偏振态形成量子弱测量光路，且第二偏振态与第一偏振态夹角为90°±Δ，Δ≤5°；

S3、在上述步骤的基础上，使空间光调制器产生一个l＝1阶涡旋光入射，固定棱镜入射角度θ为45°，然后固定第二偏振器角度

并对第一偏振器进行调节使

在161°-165°范围内(此时已满足两个偏振态之间的夹角为90°±Δ，Δ不大于5°)。在该范围内每隔一定的度数记录此时对应的光斑图。进一步的，在上述步骤的基础上还可调节l阶数为3、5，并记录该阶数下不同

对应的光斑图。从而记录每个阶数下多个

对应的光斑图，获取不同阶数、不同角度下的OAM光束重心偏移情况。

如图2所示，第一行、第二行分别对应代表涡旋光阶数为1时各个

下的理论、实验重心对比图；第三行、第四行分别对应代表涡旋光阶数为3时各个

下的理论、实验重心对比图；第四行、第五行分别对应代表涡旋光阶数为5时各个

下的理论、实验重心对比图；获取光斑图后对光斑图进行分析和计算。

(1)计算并获得各个条件下记录的实验图像的重心位移情况，以图像名称为“image_4”的光斑图为例，

以下为对应的MATLAB计算程序：

clear；

n＝4；

fileName＝strcat(′image_′，num2str(n)，′.jpg′)；

[Ff]＝imread(fileName)；

Ff＝double(Ff)；

F0＝squeeze(Ff(：，：，1)+Ff(：，：，2)+Ff(：，：，3))；

X＝-640：639；

Y＝-512：511；

[x，y]＝meshgrid(X，Y)；

F1＝F0；

F_thrh＝15；

F1(F1＜F_thrh)＝0；

F＝F1；

AveX＝sum(sum(x.*F))/sum(sum(F))；

AveY＝sum(sum(y.*F))/sum(sum(F))；

figure；pcolor(x，y，F)；shading flat；hold on；

plot(AveX，AveY，′r+′)；

以上AveX为重心在x方向的偏移值X，AveY为重心在y方向偏移值Y。

(2)计算并获得各个条件下的理论光斑重心位移情况。以阶数l＝1(程序中对应m＝1)，入射角θ＝45°，

为例，以下为对应的Matlab计算程序：

clear all；

lambda＝0.6328；k0＝2*pi/lambda；

mu1＝1；mu_o＝1；mu_e＝1；

eps1＝1；eps_o＝1.515^2；eps_e＝eps_o；

m＝1；

w0＝lambda*120；

th0＝45；

ph1＝162.66；

ph2＝45；

Xi＝-2*ph2/180*pi；

a＝cos(ph1./180*pi)；

b＝sin(ph1./180*pi)；

th1＝th0/180*pi；

n1＝sqrt(eps1*mu1)；k1＝k0*n1；

[rs，rp，drs，drp]＝cal_rf_fc(eps1，eps_o，eps_e，mul，mu_o，mu_e，k0，th1)；

kw＝(k1.*w0).^2；

g＝-1；

M＝(rp-g.*rs).*cot(th1)；

N＝(rs-g.*rp).*cot(th1)；

NN＝600；

kw＝(k1.*w0).^2；

kkx＝linspace(-300/w0./k1，300/w0./k1，NN)；

[kx，ky]＝meshgrid(kkx*k1，kkx*k1)；

A＝(w0/sqrt(2))^(abs(m)+1)/sqrt(pi*factorial(abs(m)))；

u0＝A*exp(-(kx.^2+ky.^2).*w0.^2./4).*(-li.*kx+sign(m).*ky).^(abs(m))；

u＝(a.*(rp+g.*kx./k1.*drp)+b.*ky./k1.*M).*u0 -li*exp(li*Xi).*(b.*(rs+

g.*kx./k1.*drs)-a.*ky./k1.*N).*u0；

xx＝(-NN/2：NN/2-1)/NN/(kx(2，2)-kx(2，1))*2*pi；

[x，y]＝meshgrid(xx，xx)；

E＝ifftshift(ifit2(u))；

I＝abs(E).^2；

AveX＝sum(sum(x.*I))/sum(sum(I))；

AveY＝sum(sum(y.*I))/sum(sum(I))；

figure；pcolor(x，y，I)；shading fiat；hold on；

plot(AveX，AveY，′b+′)；

如图2所示，1、3、5行为理论图，2、4、6行为实验图。标记“+”为重心位置。理论和实验光斑的重心在x方向的偏移值X和在y方向偏移值Y的曲线对比图如图3所示，由图可知实验的OAM光束重心位移与理论对比，符合相关其内在规律。

通过多个阶数下、多个角度下实验与理论的OAM重心位移对比，验证本测量装置具备的准确性，如图3所示，实验图曲线与理论图曲线相差较小，即本装置具备较高的准确性。

对162.66°～162.98°的理论与实验光斑图计算后进行分析，如图3所示，实验表明当l＝5时，OAM光束重心在x方向位移约为50微米，在y方向位移约为100微米，本装置有效的测量了OAM光束的重心位移。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种基于量子弱测量的轨道角动量光束重心位移测量装置，其特征在于，包括：

发光装置，用于发出光束；

轨道角动量光束产生器，用于接收所述光束，并将其转变为轨道角动量光束；

偏振态制备器，用于接收所述轨道角动量光束并将其转变为线偏振光；所述偏振态制备器包括第一偏振器；

位移发生装置，用于接收所述线偏振光并对所述线偏振光进行反射，反射的偏振光带有第一偏振态；

偏振态选择器，设有第二偏振态；所述偏振态选择器包括第二偏振器；所述偏振态选择器用于接收所述位移发生装置反射的偏振光，所述第二偏振态与所述第一偏振态形成量子弱测量光路，所述第二偏振态与第一偏振态的夹角为90°±△，△≤5°；

光电探测器，用于接收和/或记录偏振态选择器作用后的偏振光。

2.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的轨道角动量光束重心位移测量装置，其特征在于，所述偏振态制备器还包括一个以上透镜组成的透镜组、光束能量调节器、光阑，所述光束能量调节器为二分之一玻片；所述第一偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜。

3.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的轨道角动量光束重心位移测量装置，其特征在于，所述偏振态选择器还包括相位补偿器，所述相位补偿器为四分之一波片；所述第二偏振器为格兰激光偏振镜或偏振分光镜。

4.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的轨道角动量光束重心位移测量装置，其特征在于，所述发光装置包括光源发生器、设置于光源发生器出射光路上的扩束器以及改变光束方向的光束变向装置；所述光源发生器为激光器或超辐射发光二极管或白光发生器或量子光源发生器；所述光束变向装置为反射镜或棱镜，用于改变光束方向。

5.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的轨道角动量光束重心位移测量装置，其特征在于，所述光电探测器为电荷耦合元件或位置传感器或光电倍增管。

6.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的轨道角动量光束重心位移测量装置，其特征在于，所述位移发生装置为棱镜，所述棱镜具备折射率n，且折射率n大于空气折射率n₀。

7.一种基于量子弱测量的轨道角动量光束重心位移测量方法，其特征在于，上述方法采用权利要求1-6任一项所述的装置实现，上述方法包括：

S1、发光装置发出光束至轨道角动量光束产生器，所述轨道角动量光束产生器接受光束并将光束转变为轨道角动量光束，然后轨道角动量光束发射至偏振态制备器；所述轨道角动量光束经过偏振态制备器转变为线偏振光到达位移发生装置；

S3、调节上述步骤中轨道角动量光束重心位移测量装置产生的光路，使位移发生装置反射的光束偏振态与偏振态选择器设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分，两个偏振态之间的夹角为90°±△，△不大于5°，此时第一偏振器处于角度

第二偏振器角度为

S4、光电探测器返回光斑图，对光斑图进行分析、计算，获得第一偏振器角度为

第二偏振器角度为

时的轨道角动量光束重心位移值。

8.根据权利要求7所述的一种基于量子弱测量的轨道角动量光束重心位移测量方法，其特征在于，在S4步骤的基础上，固定位移发生装置入射角度θ为0～90°中某一值，然后固定第二偏振器角度为

并对第一偏振器进行调节使其角度为

通过多次调节第一偏振器角度获得多个

并通过光电探测器记录并存储每一个

所对应的光斑图，获得一系列光斑图；对一系列光斑图进行处理，以

所对应的光斑图的光斑重心为零点，

对应的光斑图的光斑重心在x方向的偏移值记为X，在y方向的偏移值记为Y，进一步验证轨道角动量光束重心位移的测量过程。