CN109029744A - 一种涡旋光束拓扑荷数的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡旋光束拓扑荷数的检测方法。针对涡旋光束存在螺旋相位的特点，本发明提出了一种利用微透镜实现涡旋光束拓扑荷数检测的方法。首先利用平面波入射，确定每个微透镜理想成像点的位置坐标；然后使待测光束正入射到同样的微透镜上，并计算出成像点相对于理想成像点的偏离；最终利用成像点的偏离确定涡旋光束的波前斜率，进而确定其拓扑荷值。本发明利用简单的检测结构和数据处理实现了大范围涡旋光束拓扑荷数的检测，有望应用于高速光通信等领域。
Description
技术领域
本发明涉及基于轨道角动量的光通信技术等领域，尤其涉及一种涡旋光束拓扑荷的检测方法。
背景技术
随着社会信息化程度的提高，对数据传输的需求也急剧增加。为了解决人们日益增加的通信需求，研究人员在多个维度上对现有通信技术进行了复用，以提高通信系统容量及频谱效率，如频分复用技术、波分复用技术、偏振复用技术及时分复用技术等。即使如此，现有通信技术依然无法满足人们日益增长的通信需求。
轨道角动量(OAM)和振幅、频率和相位一样，是电磁波的一个基本属性。与已有的调制技术和复用技术相比，将OAM作为通信系统的调制维度或复用维度可以大大提升通信系统的通信能力。涡旋光束的典型特征是其具有螺旋波前，光束中心出现相位奇点，且不同模式的涡旋光束具有相互正交的特性。与偏分复用不同，涡旋光束的拓扑荷值(模式数)具有无限多种取值，因此，理论上，基于涡旋光束的通信系统的通信能力和频谱效率可以无限地提升。
为了将涡旋光束更好地与通信系统相结合，首先要解决的问题就是涡旋光束的产生和检测。目前，相关研究人员已提出了多种涡旋光束的检测方法。应用较多的主要有叉形光栅法、马赫-曾德干涉法、全息图法和杨氏干涉法等。但是目前的方法在能量利用效率、系统搭建、在线处理等方面还有待提高，尤其是对涡旋光束拓扑荷的在线检测方面还远远不足。
发明内容
本发明的目的在于针对上述背景技术的不足而提供一种简单易行的涡旋光束拓扑荷的检测方法，该方法首先利用微透镜检测出涡旋光束的波前斜率，进而利用波前斜率得到其拓扑荷数，可以实现多种涡旋光束拓扑荷的快速检测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的涡旋光束拓扑荷检测是利用若干个微透镜和强度探测器实现的，每个微透镜的焦距均相同。微透镜位于光束探测平面上，而强度探测器位于微透镜的焦平面上。包括以下步骤：
(1)将一个或多个相同的微透镜置于光束探测平面上，将探测器置于微透镜的焦平面上；
(2)分别测定每个微透镜中心与光轴中心的距离，记为ri，其中i为正整数，代表微透镜的个数；
(3)利用平面波照射微透镜组，分别测定每个微透镜像点在探测器上的位置，设为(xi,yi)；
(4)利用待测涡旋光束照射微透镜组，分别测定每个微透镜像点在探测器上的位置，记为(xi′,yi′)；
(5)计算每个微透镜测量得到的涡旋光束拓扑荷数为：其中λ为待测光束的波长，f为微透镜的焦距；
(6)将所有微透镜测得的涡旋光束拓扑荷数求平均得到最终的涡旋光束拓扑荷数测定结果，
其中，每个微透镜与光轴的距离相同或不同。
其中，涡旋光束拓扑荷的符号通过像点偏移方位来判断。
其中，待测涡旋光束的拓扑荷数l应满足
本发明与背景技术相比具有如下优点：
本发明利用微透镜组，通过测量涡旋光束波前斜率的方法实现了涡旋光束拓拓扑荷的测量，装置结构简单、易于实现，且测量过程不受涡旋光束拓扑核变化的影响，后续处理过程简单，使得其适用于实时测量。
附图说明
图1是本发明中微透镜在检测平面的分布示意图。
图2是本发明涡旋光束通过微透镜后成像点位置偏移示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更加清楚、详细的描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
本发明提出的涡旋光束拓扑荷检测方法是利用若干个微透镜和强度探测器实现的，每个微透镜的焦距均相同。微透镜位于同一探测平面上，而强度探测器位于微透镜的焦平面上。探测器可以是任意光强探测器，如CCD。微透镜平面的坐标原点、光强探测器的坐标原点均在光轴上，且两个坐标系的z轴与光轴重合；
如图1所示，本实施例的微透镜组由四个相同的微透镜组成。四个微透镜分布在同一个以光轴为中心的圆周上，构成一个正方形。假设涡旋光束的波长为1550nm，而光束的尺寸一般比波长尺寸大很多。因此由上面的分析可以发现，该方法可以实现大拓扑荷涡旋光束的检测。
为了实现涡旋光束拓扑荷数的精确检测，微透镜与光轴的距离应远大于微透镜的尺寸，同时微透镜焦距也应远大于其尺寸。因此微透镜与光轴的距离ri应尽量大些。
涡旋光束的基本特征是其具有螺旋相位因子exp(jlφ)，其中l是涡旋光束的拓拓扑荷，φ是探测坐标系的方位角。对于与光轴的径向距离为ri的微透镜，其接收到的波前斜率为通过微透镜成像后，成像点的偏离与波前斜率的关系为如图2所示。
通过上述的分析可以求得涡旋光束拓拓扑荷为其中然后将每个微透镜所得结果的平均值作为最终检测结果。通过上述步骤可以得到涡旋光束拓扑核的大小，其符号可以如下判定：当微透镜的成像点向方位角的正向偏离时，认为拓扑核的符号为正；而成像点向负方位角方向偏离时，拓扑核的符号为负。
在上述技术方案中，利用单个透镜便可测得涡旋光束的拓扑荷，增加透镜数目是为了减小测量误差；且每个微透镜与坐标原点的距离可以相同，也可以不相同。为了保证测量的准确性，涡旋光束的拓扑荷值应满足其符号可以通过像点的偏离方位来确定。
以上所述仅为本发明在实施例中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种涡旋光束拓扑荷数的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将一个或多个相同的微透镜置于同一探测平面上，将探测器置于微透镜的焦平面上；
(2)分别测定每个微透镜中心与光轴中心的距离，记为ri，其中i为正整数；
(3)利用平面波照射微透镜组，分别测定每个微透镜像点在探测器上的位置，设为(xi,yi)；
(4)利用待测涡旋光束照射微透镜组，分别测定每个微透镜像点在探测器上的位置，记为(xi′,yi′)；
(5)计算每个微透镜测量得到的涡旋光束拓扑荷数为：其中λ为待测光束的波长，f为微透镜的焦距；
(6)将所有微透镜测得的涡旋光束拓扑荷数求平均得到最终的涡旋光束拓扑荷数测定结果，N为微透镜的个数。
2.如权利要求1所述的涡旋光束拓扑荷数的检测方法，其特征在于，每个微透镜与光轴的距离相同或不同。
3.如权利要求1或2所述的涡旋光束拓扑荷数的检测方法，其特征在于，涡旋光束拓扑荷的符号通过像点偏移方位来判断。
4.如权利要求1或2所述的涡旋光束拓扑荷数的检测方法，其特征在于，待测涡旋光束的拓扑荷数l应满足
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