CN104007567A - 轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法，不同于单值产生方法，该方案通过光路循环可实现任意值产生。普通高斯脉冲光入射至循环光路，每经过一阶螺旋相位板，出射光束的拓扑荷数将升高一阶，传播至光路控制装置，当控制信号置位时，光束在光栅晶体处反射，光束进入循环光路，入射涡旋光束经多次光路循环即其轨道角动量数多次升高直至为所需l值，当控制信号复位时，光束在光栅晶体处透射，产生特定l态的涡旋光束被输出。若设单次光路循环时长为T_c，产生光束时长为T，则出射光束的轨道角动量数l即为T/T_c，通过控制时间，实现了具有特定轨道角动量态涡旋光束的产生。该涡旋光束产生系统具有可调谐的功能，能够根据所需对光路循环时长进行自由控制，从而产生不同l态的涡旋光束，结构清晰。

Description

轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法

技术领域

本发明涉及通信技术，特别涉及一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法。 

背景技术

涡旋光束是具有螺旋型波前和相位奇点的一种特殊光场，相位奇点是指光场中那些相位不确定的地方，由于自身的干涉相消，光束中心强度为零，是一种暗中空的光束。光学涡旋场的暗中空特性以及轨道角动量与物质的相互作用，使其在光学微操纵、原子光学、生物医学、非线性光学、光学信息传输等领域有着广泛的应用。涡旋光束具有除光强、频率、偏振外的一个新的自由度，即轨道角动量。光束轨道角动量数理论上是无限多的且不同的轨道角动量态之间具有正交性，则将轨道角动量这一全新电磁波资源用于光通信的复用传输可以大幅提高光通信容量。为此，用于光通信的涡旋光束的产生和探测技术越来越受到人们的关注。 

国内外的研究机构在涡旋光束产生及探测领域已经进行了广泛而细致的研究和分析，近两年ECOC、OFC等光通信领域顶级会议上相继出现和发表相关研究论文。主要研究利用可编程计算全息图产生大小及拓扑荷可控的涡旋光束、利用最佳螺旋相位板结构产生涡旋光束以及利用特殊结构的光纤生成涡旋光束。2009年，Tamm等人利用π/2模式转换系统成功地把低阶的厄米-高斯光束转换成相应涡旋光束，2010年，Beijersbergen等人利用两个柱面透镜实现了任意阶厄米 -高斯光束与相应涡旋光束的转换。2011年美国贝尔实验室设计径向光栅用于生成具有轨道角动量的涡旋光束。2012年，Siddharth Ramachandran等人利用微弯光栅及涡旋光纤实现了涡旋光束的产生。2013年，王建等人设计特殊结构光纤实现了由高斯光束生成高阶涡旋光束。 

不同于上述产生方法，本方案通过光路循环可实现任意轨道角动量值涡旋光束的产生。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统，该系统通过光路循环可实现任意轨道角动量态的产生,降低了系统成本，提高产生了效率。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的： 

一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法，用于产生任意轨道角动量态的涡旋光束，其特征在于，该系统包括：光脉冲产生装置、循环光路及校准装置、涡旋光束产生装置、光路控制装置: 

所述光脉冲产生装置利用脉冲半导体激光器来产生高斯光脉冲； 

所述循环光路及校准装置由三个反射镜、两个校准棱镜构成，用于构成循环光路与光束校准； 

所述涡旋光束产生装置由螺旋相位板构成，用于将高斯脉冲转换为具有轨道角动量态的涡旋光束，每经过一次螺旋相位板，出射光束的拓扑荷数将升高一阶； 

所述光路控制装置由光栅晶体开关构成，用来控制光脉冲信号的 循环与输出。当控制信号置位时，光脉冲被反射回循环光路继续传输；当控制信号复位时，光脉冲直通作为光开关的光栅晶体，被输出。 

根据权利要求1所述的轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法，其特征在于，所述光脉冲产生装置包括： 

脉冲半导体激光器：用来产生高斯光脉冲,每个光脉冲透射过晶体，进入循环光路。 

根据权利要求1所述的轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法，其特征在于，所述循环光路及校准装置包括： 

反射镜，反射光束，构成系统的循环回路； 

校准镜，用于校准光路。 

根据权利要求1所述的轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统，其特征在于，所述涡旋光束产生装置包括： 

螺旋相位板(SPP)，是一块折射率固定的透明板，两侧的表面结构分别为平面和螺旋相位面，它的厚度与角向方位角成正比。当一束光通过这种透明板时，由于SPP的螺旋形表面使透射光束光程变化不同，引起的相位改变量也不同，使光束的拓扑荷数升高一阶,透射光束变为涡旋光束。 

根据权利要求1所述的轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统，其特征在于，所述光路控制装置包括： 

光栅晶体开关是利用激光的全息技术，将光纤光栅全息图写入钽铌酸钾锂(KLTN)晶体内部，利用光纤光栅选定波长的开关。电激发的光纤布拉格光栅的全息图被写入到KLTN晶体内部后，当控制信号 复位时，晶体是全透明的，此时光束直通晶体。当控制信号置位时，光纤光栅的全息图产生，入射光在光栅晶体处反射。光栅晶体开关具有低损耗特性，交换速度达到纳秒量级，光反射率高达95％。 

一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统，其特征在于，该方法包括： 

A.脉冲半导体激光器产生高斯光脉冲，每个光脉冲透射过晶体，进入循环光路； 

B.光脉冲透射过晶体后，经过反射镜与准直镜，将出射光汇聚为平行光，保证光束传输路径的精确； 

C.经过螺旋相位版(SPP)，改变光束的轨道角动量态； 

D.最后到达光束控制装置，通过控制信号的置位复位改变晶体的投射反射特性，来控制光束继续循环传输或输出。 

根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤A所述光脉冲产生的实现方案包括： 

脉冲半导体激光器生成高斯光脉冲，每个光脉冲透射出晶体，进入循环光路； 

根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤B所述循环光路的实现方案包括： 

B1、脉冲半导体激光器产生的高斯脉冲经过反射镜，使光束传播方向改变90度，经过2个反射镜后到达螺旋相位板； 

B2、在循环光路中放置准直镜，将出射光汇聚为平行光，用于保证光束精确传输。 

根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤C所述涡旋光束产生装置的实现方案包括： 

准直后的光束进入螺旋相位板，出射光束的拓扑荷数将升高一阶，经过准直传播至光栅晶体开关处； 

根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤D所述光路控制装置的实现方案包括： 

D1、经过螺旋相位板的光束传播至光栅晶体开关处； 

D2、当控制信号置位时，对光束进行反射，进入循环光路，入射涡旋光束经多次光路循环即其拓扑荷数多次升高直至为所需值； 

D3、当控制信号复位时，产生特定l态的涡旋光束被输出。 

由上述的技术方案可见，本发明提供一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统，该系统通过光路循环可实现任意轨道角动量态的产生,该系统和方法具有可调谐的功能，降低了系统成本，提高产生效率。 

附图说明

图1为本发明一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统的结构示意图。 

图2为本发明一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统的流程图。 

具体实施方法 

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。 

本发明提供了一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统和方法，该系统中光脉冲产生装置产生所需的高斯光脉冲；产生的光脉冲经过循环光路及校准装置进行光束校准并传输；之后光束到达涡旋光束产生装置，光束轨道角动量态被改变；最后光束进入光路控制装置，通过控制信号控制光脉冲信号的继续循环与输出。 

图2为本发明基于一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统的结构示意图。现结合图2，对本发明一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统的结构进行说明，具体如下： 

本发明一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统包括：光脉冲产生装置10、光路控制装置11、循环光路及校准装置12、涡旋光束产生装置13。 

光脉冲产生装置10用于产生高斯光脉冲信号，作为系统的输入信号； 

光路控制装置11用于控制涡旋光束的在系统中的继续循环传输或输出； 

循环光路及校准装置12用于系统循环光路的构成以及光束准直，保证光束能够准确经过各装置，循环传输，产生高质量的轨道角动量态； 

涡旋光束产生装置14用于改变光束的轨道角动量态，每经过一次螺旋相位板，出射光束的拓扑荷数将升高一阶； 

其中光脉冲产生装置10包括脉冲半导体激光器。 

脉冲半导体激光器10，主要用于产生系统所需单个高斯光脉冲 信号； 

光路控制装置11包括光栅晶体110，控制信号111。 

光栅晶体110，电激发的光纤布拉格光栅的全息图被写入到KLTN晶体内部后，当控制信号复位时，晶体是全透明的，此时光线直通晶体。当控制信号置位时，光纤光栅的全息图产生，其对入射光进行反射，将光反射到输出端。 

控制信号111用于控制光栅晶体110的置位和复位。 

循环光路及校准装置12包括反射镜120、121、122，校准经123、124。 

反射镜120、121、122，用于构成系统的循环回路； 

校准经123、124，用于光束校准，保证光束精确传输。 

涡旋光束产生装置13螺旋相位板，改变光束的轨道角动量态。 

图2为本发明轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法的流程图。现结合图2，对本发明轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法进程进行说明，具体如下： 

步骤201：高斯脉冲发生装置产生单个高斯光脉冲，透射出晶体，进入系统； 

步骤202：高斯脉冲经过循环光路及校准装置到达涡旋光束产生装置； 

步骤203：脉冲光束进入涡旋光束产生装置，通过螺旋相位板改变轨道角动量态； 

步骤204：被改变轨道角动量态的脉冲光束进入光路控制装置， 通过控制信号控制光束的继续循环传输或输出。 

在该步骤中，对光脉冲进行控制的方法包括： 

2041：光脉冲进入光路控制装置，当控制信号置位时，对光束进行反射，继续进入循环光路进行轨道角动量态的改变； 

2042：当控制信号复位时，将特定轨道角动量态的光束输出。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围。 

Claims (10)

1.一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法，用于产生任意轨道角动量态的涡旋光束，其特征在于，该系统包括：光脉冲产生装置、循环光路及校准装置、涡旋光束产生装置、光路控制装置: 

所述光脉冲产生装置利用脉冲半导体激光器来产生高斯光脉冲； 

所述循环光路及校准装置由三个反射镜、两个校准棱镜构成，用于构成循环光路与光束校准； 

所述涡旋光束产生装置由螺旋相位板构成，用于将高斯脉冲转换为具有轨道角动量态的涡旋光束，每经过一次螺旋相位板，出射光束的拓扑荷数将升高一阶； 

所述光路控制装置由光栅晶体开关构成，用来控制脉冲信号的循环与输出。当控制信号置位时，光脉冲被反射回循环光路继续传输；当控制信号复位时，光脉冲直通作为光开关的光栅晶体，被输出。 

2.根据权利要求1所述的轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法，其特征在于，所述光脉冲产生装置包括： 

脉冲半导体激光器：用来产生高斯光脉冲,光脉冲透射过晶体，进入循环光路。 

3.根据权利要求1所述的轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统方法，其特征在于，所述循环光路及校准装置包括： 

反射镜，反射光束，构成系统的循环回路； 

校准镜，用于校准光路。 

4.根据权利要求1所述的轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统，其特征在于，所述涡旋光束产生装置包括： 

螺旋相位板(SPP)，是一块折射率固定的透明板，两侧的表面结构分别为平面和螺旋相位面，它的厚度与角向方位角成正比。当一束高斯光通过这种透明板时，由于SPP的螺旋形表面使透射光束光程变化不同，引起的相位改变量也不同，使光束的拓扑荷数升高一阶，透射光束变为涡旋光束。 

5.根据权利要求1所述的轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统，其特征在于，所述光路控制装置包括： 

光栅晶体开关是利用激光的全息技术，将光纤光栅全息图写入钽铌酸钾锂(KLTN)晶体内部。电激发的光纤布拉格光栅的全息图被写入到KLTN晶体内部后，当控制信号复位时，晶体是全透明的，此时光线直通晶体。当控制信号置位时，光纤光栅的全息图产生，入射光在光栅晶体处反射。光栅晶体开关具有低损耗特性，交换速度达到纳秒量级，光反射率高达95％。 

6.一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统，其特征在于，该方法包括： 

A.脉冲半导体激光器产生高斯光脉冲，光脉冲透射过晶体，进入循环光路； 

B.光脉冲透射过晶体后，经过反射镜与准直镜，将出射光汇聚为平行光，保证光束传输路径的精确； 

C.经过螺旋相位版(SPP)，改变光束的轨道角动量态； 

D.最后到达光束控制装置，通过控制信号的复位置位改变晶体的透射反射特性，来控制光束继续循环传输或输出。 

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤A所述光脉冲产生的实现方案包括： 

脉冲半导体激光器生成高斯光脉冲，每个光脉冲透射出晶体，进入循环光路。 

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤B所述循环光路的实现方案包括： 

B1、脉冲半导体激光器产生的高斯脉冲经过反射镜，使光束传播方向改变90度，经过2个反射镜后到达螺旋相位板； 

B2、在循环光路中放置准直镜，用于将出射光汇聚为平行光，保证光束精确传输。 

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤C所述涡旋光束产生装置的实现方案包括： 

准直后的光束进入螺旋相位板，出射光束的拓扑荷数将升高一阶，经过准直传播至光栅晶体开关处。 

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤D所述光路控制装置的实现方案包括： 

D1、经过螺旋相位板的光束传播至光栅晶体开关处； 

D2、当控制信号置位时，光栅晶体对光束进行反射，进入循环光路，入射涡旋光束经多次光路循环即其拓扑荷数多次升高直至为所需值； 

D3、当控制信号复位时，产生特定l态的涡旋光束被输出。