CN101726868A - 一种实现光束轨道角动量态复用编码的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种实现光束轨道角动量态复用编码的方法和装置，属于光电技术领域。本发明由激光器、起偏器、扩束器、空间光调制器、三个1/4波片、傅立叶变换透镜、偏振分光棱镜、两个波罗棱镜、小孔光阑组成。本发明首先采用以空间光调制器和傅立叶变换透镜为核心元件的光学系统产生均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束，然后采用偏振分光棱镜、四分之一波片和可旋转的波罗棱镜组成的光学系统将光束分解成两个能够自由旋转且偏振方向相互垂直的偏振光束分量，然后再将其叠加，得到所需要的轨道角动量态的叠加，实现光束轨道角动量态的复用编码。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现光束轨道角动量态复用编码的方法和装置，属于光电技术领域。
背景技术
光束含有与其角向相关的螺旋位相分布(也称扭转位相分布)时，该光束具有与其角向位相分布相关的轨道角动量。轨道角动量的一个重要的性质是其具有的量子性质。研究表明轨道角动量的本征波函数为螺旋谐波函数，用数学公式表示为
其中
是角向坐标，l为轨道角动量量子数(取整数值)。研究表明所有这些螺旋谐波函数描述的轨道角动量态的数目是无穷的，用轨道角动量量子数描述，从理论上来说，一个轨道角动量态符号可以携带无穷大的信息容量，这构成应用轨道角动量的量子性质进行高密度自由空间光通信的理论基础，也使得光束的轨道角动量在高密度信息存储和传输领域有着重要的应用价值。在利用光束的轨道角动量进行数据存储和传输时，信息调制是一个重要的组成部分，需要建立数据信息与轨道角动量态的映射关系。为了增加光束的信息容量，通常将几个不同的轨道角动量态同轴叠加用来表征一个数据态，也称之为光束轨道角动量态的复用编码。
近年来，一些工作致力于寻找可行的实现光束轨道角动量复用的方法。发表在《物理新杂志》2004年第6卷第131期(Z.Bouchal and R.Celechovsky，″Mixedvortex states of light as information carriers，″New J Phys 6(131)，1-15(2004))上的文章设计了一个相位调制光栅和一个幅度调制光栅以实现无衍射螺旋光的叠加，无衍射的螺旋光的叠加光在空间传输的时候具有较好的自修正特性，该方法需要通过调整相位光栅和振幅光栅来实现不同的光束叠加态，这就使得数据调制速度受到空间光调制器刷新频率的限制；发表在《现代光学杂志》2004年第51卷第2期上的文章(S.N.Khonina，V.V.Kotlyar，V.A.Soifer，K.Jefimovs，and J.Turunen，″Generation and selection of laser beams represented by asuperposition of two angular harmonics，″J Mod Opt 51(2)，761-773(2004))设计二元相位光栅实现24种不同的双螺旋光叠加，这种方法在空间的不同方向上用衍射的方法直接产生两束处于不同轨道角动量态的光束的叠加，但是衍射元件的加工复杂昂贵，且不能实现动态调制；发表在《光学通讯》2005年第30卷第24期上的文章(J.Lin，X.-C.Yuan，S.H.Tao，and R.E.Burge，″Collinearsuperposition of multiple helical beams generated by a single azimuthally modulatedphase-only element，″Opt Lett 30(24)，3266-3268(2005))也提出了一个生成纯相位光栅的算法，以产生两个以上螺旋光的叠加，这种方法也存在数据调制速度受限制的问题。因此，我们设计了一种易于实现且信息调制速度不受空间光调制器刷新频率限制的光束轨道角动量态复用编码的方法和装置。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够实现光束轨道角动量态复用编码的方法和装置。
本发明的目的是由下述技术方案实现的：
本发明的装置包括激光器、起偏器、扩束器、空间光调制器、三个1/4波片、傅立叶变换透镜、偏振分光棱镜、两个波罗棱镜和小孔光阑。
所述的激光器输出光束为高斯光束；所述的扩束器置于起偏器后，用于增大光束半径；所述的空间光调制器，置于傅立叶变换透镜的前焦平面上；所述的1/4波片快轴方向与入射到其上的光束的偏振方向呈π/4的夹角；所述的波罗棱镜能够绕其入射光光轴旋转，且保证旋转过程中直角棱始终与其入射光光轴垂直；所述的小孔光阑置于傅立叶变换透镜的后焦平面上。
所述的空间光调制器加载调制函数，对光束进行相位调制或者振幅调制，使得在傅立叶变换透镜后焦面上形成均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束。
本发明提供的光束轨道角动量态复用编码的方法由两个功能块构成，具体步骤为：
①产生均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束，具体步骤为：
从激光器出射的高斯光束经过起偏器变换为线偏振光，再经扩束器扩束后入射到空间光调制器上，调整起偏器起偏方向使得入射光经空间光调制器后实现所给定的相位调制或振幅调制，被调制后的光束经1/4波片变换为圆偏振光，再经傅立叶变换透镜，在傅立叶变换透镜后焦平面上形成均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束。
②采用偏振分光棱镜、1/4波片和可旋转的波罗棱镜组成的光学系统将光束分解成两个能够自由旋转且偏振方向相互垂直的偏振光束分量，然后再将其同轴叠加，得到所需要的轨道角动量叠加态，具体步骤为：
经过傅立叶变换透镜的衍射光束经偏振分光棱镜分解为光路平面内传输方向相互垂直的两个偏振光束分量，且两个偏振光束分量的偏振方向分别垂直和平行于光路平面，这两个光束分量分别通过1/4波片由线偏振光变换为圆偏振光，入射到波罗棱镜上并被其全反射，再次经过1/4波片由圆偏振光变换为线偏振光，此时偏振方向相对旋转过90°，即偏振方向平行于光路平面的光束分量此时偏振方向垂直于光路平面，而偏振方向垂直于光路平面的光束分量此时偏振方向平行于光路平面，两个偏振光束分量再次经过偏振分光棱镜时合束，实现同轴叠加传输，此时可通过旋转波罗棱镜并结合调节小孔光阑的小孔位置滤出所需的轨道角动量叠加态。
本发明的有益效果：
①可以生成均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束，光束的数量及分布取决于空间光调制器上的调制函数。
②空间光调制器实现固定的相位调制或振幅调制，动态的轨道角动量态叠加复用由旋转的波罗棱镜实现，系统数据调制速度不受空间光调制器刷新频率限制。
③控制光束的偏振态实现两束不同轨道角动量态的光束的同轴叠加。
附图说明
图1是本发明的原理图；图中，1-激光器，2-起偏器，3-扩束器，4-空间光调制器，5-第一1/4波片，6-傅立叶变换透镜，7-偏振分光棱镜，8-第二1/4波片，9-第一波罗棱镜，10-第三1/4波片，11-第二波罗棱镜，12-小孔光阑。
图2是本发明中产生均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，本发明装置由产生均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束的装置和实现光束分解、旋转、叠加的装置两个部分构成。本发明的装置包括激光器(1)、起偏器(2)、扩束器(3)、空间光调制器(4)、第一1/4波片(5)、傅立叶变换透镜(6)、偏振分光棱镜(7)、第二1/4波片(8)、第一波罗棱镜(9)、第三1/4波片(10)、第二波罗棱镜(11)和小孔光阑(12)。激光器(1)输出的光束为高斯光束；经起偏器(2)变换为线偏振光；再经扩束器(3)扩束后入射到空间光调制器(4)上，设计相应的调制函数并调整起偏器(2)的起偏方向使得入射光经空间光调制器(4)后实现所给定的相位调制或振幅调制，被调制后的光束经第一1/4波片(5)变换为圆偏振光，再经过傅立叶变换透镜(6)，在傅立叶变换透镜(6)的后焦平面上形成均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束，如图2所示。经过傅立叶变换透镜(6)的衍射光束经偏振分光棱镜(7)分解成偏振方向垂直和平行于光路平面的两个偏振光束分量，其中偏振方向垂直于光路平面的偏振光束分量通过第二1/4波片(8)由线偏振光变换为圆偏振光，入射到第一波罗棱镜(9)上并被其全反射，再次经过第二1/4波片(8)由圆偏振光变换为线偏振光，此时偏振方向相对旋转90°，该偏振光束分量的偏振方向平行于光路平面，而偏振方向平行于光路平面的分量通过第三1/4波片(10)由线偏振光变换为圆偏振光，之后入射到第二波罗棱镜(11)上并被全反射，再次经过第三1/4波片(10)由圆偏振光变换为线偏振光，此时偏振方向也相对旋转90°，该偏振光束分量的偏振方向垂直于光路平面；上述两个偏振光束分量再次经过偏振分光棱镜(7)时合束，实现同轴叠加传输，此时可通过旋转第一波罗棱镜(9)和第二波罗棱镜(11)并结合调节小孔光阑(12)的小孔位置滤出所需的轨道角动量叠加态。
Claims (2)
1.一种实现光束轨道角动量态的复用编码的装置，包括激光器(1)、起偏器(2)、扩束器(3)、空间光调制器(4)、第一1/4波片(5)、傅立叶变换透镜(6)、偏振分光棱镜(7)、第二1/4波片(8)、第一波罗棱镜(9)、第三1/4波片(10)、第二波罗棱镜(11)和小孔光阑(12)。其特征在于：激光器(1)输出的高斯光束垂直入射依次透过起偏器(2)和扩束器(3)后，入射到空间光调制器(4)上并发生反射，其中空间光调制器(4)位于傅立叶变换透镜(6)前焦平面上，之后光束依次垂直透过第一1/4波片(5)和傅立叶变换透镜(6)，其中第一1/4波片(5)的快轴方向与起偏器(2)的起偏方向呈π/4的夹角放置；之后光束垂直入射到偏振分光棱镜(7)上，分解为光路平面内传输方向相互垂直的两个偏振光束分量，且两个偏振光束分量的偏振方向分别垂直和平行于光路平面，偏振方向垂直于光路平面的光束分量垂直入射透过第1/4波片(8)后垂直入射到第一波罗棱镜(9)并被其全反射，反射光再次垂直入射透过第1/4波片(8)后到达偏振分光棱镜(7)，偏振方向平行于光路平面的光束分量垂直入射透过第三1/4波片(10)后垂直入射到第二波罗棱镜(11)上并被其全反射，反射光再次垂直入射透过第三1/4波片(10)后到达偏振分光棱镜(7)，其中第1/4波片(8)和第三1/4波片(10)快轴方向与光路平面成π/4夹角，第一波罗棱镜(9)和第二波罗棱镜(11)能够绕入射光光轴旋转，且保证旋转过程中直角棱始终与入射光光轴垂直；之后上述两个偏振光束分量在经过偏振分光棱镜(7)偏振合束后同轴叠加传输，到达位于傅立叶透镜(6)后焦平面上的小孔光阑(12)，可通过旋转第一波罗棱镜(9)和第二波罗棱镜(11)并结合调节小孔光阑(12)的小孔位置滤出所需的轨道角动量叠加态。
2.一种实现光束轨道角动量态的复用编码的方法，其特征在于：
①产生均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束：从激光器(1)出射的高斯光束经过起偏器(2)后变换为线偏振光，再经扩束器(3)扩束后入射到空间光调制器(4)上，空间光调制器(4)置于傅立叶变换透镜(6)的前焦平面上，通过设计空间光调制器(4)上的调制函数并调整起偏器(2)的起偏方向使得入射光经空间光调制器(4)后实现所给定的相位调制或振幅调制，被调制后的光束经第一1/4波片(5)变换为圆偏振光，再传输经过傅立叶变换透镜(6)，在傅立叶变换透镜(6)的后焦平面上形成均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束。
②将光束分解为两个能够自由旋转且偏振方向相互垂直的偏振光束分量，然后再将其叠加，得到所需要的轨道角动量叠加态：经过傅立叶变换透镜(6)的衍射光束经偏振分光棱镜(7)后分解为偏振方向垂直和平行于光路平面的两个偏振光束分量，其中偏振方向垂直于光路平面的光束分量通过第二1/4波片(8)由线偏振光变换为圆偏振光，之后入射到第一波罗棱镜(9)上并被其全反射，再次经过第二1/4波片(8)由圆偏振光变换为线偏振光，此时偏振方向相对旋转90°，该偏振光束分量的偏振方向平行于光路平面；偏振方向平行于光路平面的分量通过第三1/4波片(10)由线偏振光变换为圆偏振光，之后入射到第二波罗棱镜(11)上并被全反射，再次经过第三1/4波片(10)由圆偏振光变换为线偏振光，此时偏振方向也相对旋转90°，该偏振光束分量的偏振方向垂直于光路平面；上述两个偏振光束分量再次经过偏振分光棱镜(7)时合束，实现同轴叠加传输，此时可通过旋转第一波罗棱镜(9)和第二波罗棱镜(11)并结合调节小孔光阑(12)的小孔位置滤出所需的轨道角动量叠加态。
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