CN110161681A - 一种光学轨道角动量分选系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学轨道角动量分选系统及方法，系统根据采用的空间光调制模块的类型分为反射式和透射式，反射式包括立方分束器、反射式空间光调制模块、直角棱镜及傅里叶透镜，透射式包括透射式空间光调制模块和傅里叶透镜。本发明通过空间光调制模块对入射光束进行保角映射、复制、展开和相位校正，最后通过傅里叶透镜的后焦面将不同的轨道角动量状态分离到不同的位置。本发明与现有分选系统相比，光学系统的分辨率大大提高，光学系统大大简化，为高分辨率光学轨道角动量分选系统的小型化和集成化铺平了道路。

Description

一种光学轨道角动量分选系统及方法

技术领域

本发明属于涡旋光束的控制技术研究领域，更具体地，涉及一种光学轨道角动量分选系统及方法。

背景技术

自人们认识到螺旋相位光束具有一个大小为的量子轨道角动量(OAM，OrbitalAngular Momentum)以来，经典和量子体系的涡旋光束研究领域得到了迅速的发展。OAM可以提供作用力，施加力矩到宏观或量子尺度的物体上。基于OAM量子数l的光束的有效分离在经典和量子信息系统中尤为重要。例如，利用涡旋光束的轨道角动量进行编码相对于传统通信中的二进制编码具有更高的安全性和保密性，更快的信息传输速率以及更大的信道容量，在传输过程中不易被窃听，大大提高了通信效率。利用叉形图可生成或去除特定的螺旋相结构以用于一次检测一个OAM状态或以检测效率降低为代价检测多个状态。而带有道威棱镜的马赫曾德尔干涉仪可以实现OAM状态的分离，但它需要N-1级联干涉仪来实现N个状态的分离。

有效分选光学轨道角动量的方法还包括使用基于共性映射的对数极化光学转换。其中衍射光学元件将螺旋相转化为棱镜相，之后傅里叶透镜将不同状态的角动量区分到不同的横向位置，用于单光子检测及同时有效测量多种状态。然而，展开光束的尺寸会导致两种相邻OAM状态的重叠。为了减少由于衍射光束尺寸导致的叠加，一般在对数极化光学元件位置后方应用衍射扇出元件和相应的相位校正器来提高OAM分选器的分辨率。因此，在之前的实验装置由四片定制的衍射/反射光学元件及两两之间的透镜来组成，如图1所示。但是该装置的结构复杂，从而实现光路结果步骤繁杂。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光学轨道角动量分选系统及方法，旨在解决现有光学轨道角动量分选系统光路复杂且分辨率不高的问题。

OAM状态的激光源进入到空间光调制模块可以采用反射或者透射的方式。为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种光学轨道角动量分选系统，包括立方分束器、反射式空间光调制模块、直角棱镜及傅里叶透镜；立方分束器用于将入射涡旋光束反射到反射式空间光调制模块得到第一光束，直角棱镜用于改变第一光束的方向使其再次入射到反射式空间光调制模块得到第二光束，反射式空间光调制模块用于对第一光束和第二光束进行保角映射、复制、聚焦和相位校正，傅里叶透镜用于对第一光束和第二光束进行傅里叶变换将不同的轨道角动量状态分离到后焦面不同的位置。

进一步地，反射式空间光调制模块包括二次扇出映射器和双相校正器，二次扇出映射器用于对第一光束进行保角映射、复制和聚焦，双相校正器用于对经过二次扇出映射器的第二光束进行相位校正，校正由对数极坐标映射产生的相位畸变和光束复制带来的相位跳变。

进一步地，二次扇出映射器由三项组成：对数极化转换项、扇出项和透镜项。二次扇出映射器的数学表达式为：

其中，为对数极化转换项，为扇出项，为透镜项。对数极化转换项可以将一个OAM态环形强度分布转换成一个弧形，随着光束传输到傅里叶平面，最终变成一条线段。不同的OAM态从一系列同心圆环转换成一系列平行线段。λ为入射涡旋光束的中心波长，参数d和p分别决定了转换光束在傅里叶平面上的尺寸和位置，参数f是二次扇出映射器到双相校正器之间的距离。经极化转换项处理后展开的直线光束为解缠光束，扇出项将解缠光束分成几份复制光束，并且几份复制光束并排放置于斜平面波前。N为解缠光束的阶数，2N+1是解缠光束的复制份数，θ是相邻两个复制光束之间的角间距，以反射式空间光调制器纵向为x轴，以垂直纸面向外为y轴，m代表第m束解缠光束，am和bm是实现高效和均匀分束的优化参数，1≤m≤N，透镜项用来完成近距离的夫琅禾费衍射。

双相校正器可以校正由对数极坐标映射产生的相位畸变和光束复制带来的相位跳变。双相校正器的数学表达式为：

其中rect(x)为标准矩形函数，参量x’和y’是校正器平面上的坐标，x’-y’平面指跟二次扇出映射器平面相关的傅里叶变换平面，同样地，以空间光调制器纵向为x’轴，以垂直纸面向外为y’轴，P为相位平面到傅里叶透镜的距离，双相校正器的相位分布是2N+1个部分之和，2N+1是解缠光束的复制份数，参数L满足L＝θf/2π，从而每个部分都能校正解缠光束对应复制光束的畸变相位，畸变相位由稳相近似法计算得到，解缠光束相邻复制光束之间的相位跳变由φ_bc(m)来补偿，以保证放大光束的平滑相位波前。

进一步地，双相校正器放置于二次扇出映射器的傅里叶平面。

进一步地，傅里叶透镜放置于双相校正器的傅里叶平面，

按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述系统的光学轨道角动量分选方法，包括：

将入射涡旋光束进行保角映射、复制、聚焦和相位校正分成两束光束，得到不同状态的轨道角动量；

对不同状态的轨道角动量进行傅里叶变换，分离得到不同状态的轨道角动量的位置。

按照本发明的又一方面，提供了一种光学轨道角动量分选系统，包括透射式空间光调制模块和傅里叶透镜；透射式空间光调制模块用于对入射涡旋光束进行保角映射、复制、展开及相位校正，傅里叶透镜用于对相位校正后的光束进行傅里叶变换，在傅里叶透镜的后焦面将不同的轨道角动量状态分离到不同的位置。

进一步地，透射式空间光调制模块包括透射式空间光调制器，透射式空间光调制器的第一表面施加呈环形分布的相位调制，用于对入射涡旋光束进行保角映射、复制和展开，透射式空间光调制器的第二表面用于对所述展开的光束进行相位校正。

进一步地，透射式空间光调制器的第一表面和第二表面的间距等于傅里叶透镜的焦距。

按照本发明的又一方面，提供了一种基于上述系统的光学轨道角动量分选方法，包括：

将入射涡旋光束进行保角映射、复制、聚焦和相位校正，得到不同状态的轨道角动量；

对所述不同状态的轨道角动量进行傅里叶变换，分离得到不同状态的轨道角动量的位置。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

有益效果：

(1)本发明提供的光学轨道角动量分选系统，因直接利用空间光调制器，其二次扇出映射器对比现有技术可同时实现对数极化映射元件和扇出相位元件的功能，其双相校正器对比现有技术可同时实现两个相位校正元件的功能，从而简化了光路的复杂程度，系统结构更简单；

(2)本发明提供的光学轨道角动量分选系统，与现有技术相比，通过增加扇出项的阶数，使系统能够获得更高的分辨率；

(3)本发明提供的光学轨道角动量分选系统，由于所用光学元件更少，减少了光路损耗，从而实现高衍射效率，获得更高的功率输出；

(4)本发明提供的光学轨道角动量分选系统结构紧凑，可极大地节约系统搭建空间，具有反射式和透射式两种选择方案，具有灵活适用的特点。

附图说明

图1是现有技术的光学轨道角动量分选系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的光学轨道角动量分选系统的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的光学轨道角动量分选系统的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的光学轨道角动量分选系统在CCD上成像的结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

按照本发明的一方面，提供了一种光学轨道角动量分选系统，包括立方分束器、反射式空间光调制模块、直角棱镜及傅里叶透镜；立方分束器用于将入射涡旋光束反射到反射式空间光调制模块得到第一光束，直角棱镜用于改变第一光束的方向使其再次入射到反射式空间光调制模块得到第二光束，反射式空间光调制模块用于对第一光束和第二光束进行保角映射、复制、聚焦和相位校正，傅里叶透镜用于对第一光束和第二光束进行傅里叶变换将不同的轨道角动量状态分离到后焦面不同的位置。

进一步地，反射式空间光调制模块包括二次扇出映射器和双相校正器，二次扇出映射器用于对第一光束进行保角映射、复制和聚焦，双相校正器用于对经过二次扇出映射器的第二光束进行相位校正，校正由对数极坐标映射产生的相位畸变和光束复制带来的相位跳变。

进一步地，二次扇出映射器由三项组成：对数极化转换项、扇出项和透镜项。二次扇出映射器的数学表达式为：

其中，为对数极化转换项，为扇出项，为透镜项。对数极化转换项可以将一个OAM态环形强度分布转换成一个弧形，随着光束传输到傅里叶平面，最终变成一条线段。不同的OAM态从一系列同心圆环转换成一系列平行线段。λ为入射涡旋光束的中心波长，参数d和p分别决定了转换光束在傅里叶平面上的尺寸和位置，参数f是二次扇出映射器到双相校正器之间的距离。扇出项将解缠光束分成几份复制光束，并且并排定位几份复制光束斜平面波前。N为解缠光束的阶数，2N+1是解缠光束的复制份数，θ是相邻两个复制光束之间的角间距，以反射式空间光调制器纵向为x轴，以垂直纸面向外为y轴，m代表第m束解缠光束，am和bm是实现高效和均匀分束的优化参数，1≤m≤N，透镜项用来完成近距离的夫琅禾费衍射。

双相校正器可以校正由对数极坐标映射产生的相位畸变和光束复制带来的相位跳变。双相校正器的数学表达式为：

其中rect(x)为标准矩形函数，参量x’和y’是校正器平面上的坐标，x’-y’平面指跟二次扇出映射器平面相关的傅里叶变换平面，P为相位平面到傅里叶透镜的距离，双相校正器的相位分布是2N+1个部分之和，2N+1是解缠光束的复制份数，参数L满足L＝θf/2π，从而每个部分都能校正解缠光束对应复制光束的畸变相位，畸变相位由稳相近似法计算得到，解缠光束相邻复制光束之间的相位跳变由φ_bc(m)来补偿，以保证放大光束的平滑相位波前。

进一步地，双相校正器放置于二次扇出映射器的傅里叶平面。

进一步地，傅里叶透镜放置于双相校正器的傅里叶平面，

按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述系统的光学轨道角动量分选方法，包括：

将入射涡旋光束进行保角映射、复制、聚焦和相位校正分成两束光束，得到不同状态的轨道角动量；

对不同状态的轨道角动量进行傅里叶变换，分离得到不同状态的轨道角动量的位置。

按照本发明的又一方面，提供了一种光学轨道角动量分选系统，包括透射式空间光调制模块和傅里叶透镜；透射式空间光调制模块用于对入射涡旋光束进行保角映射、复制、展开及相位校正，傅里叶透镜用于对相位校正后的光束进行傅里叶变换，在傅里叶透镜的后焦面将不同的轨道角动量状态分离到不同的位置。

进一步地，透射式空间光调制模块包括透射式空间光调制器，透射式空间光调制器的第一表面施加呈环形分布的相位调制，用于对入射涡旋光束进行保角映射、复制和展开，透射式空间光调制器的第二表面用于对所述展开的光束进行相位校正。

进一步地，透射式空间光调制器的第一表面和第二表面的间距等于傅里叶透镜的焦距。

按照本发明的又一方面，提供了一种基于上述系统的光学轨道角动量分选方法，包括：

将入射涡旋光束进行保角映射、复制、聚焦和相位校正，得到不同状态的轨道角动量；

对所述不同状态的轨道角动量进行傅里叶变换，分离得到不同状态的轨道角动量的位置。

本实施例1提供了一种反射式光学轨道角动量分选系统，包括能产生不同OAM状态的光束的氦氖激光器光源，波长为632.8nm，立方分束器、反射式空间光调制器(SLM，Spatial Light Modulator)、直角棱镜、傅里叶透镜和电荷耦合器件(CCD，Charge CoupledDevice)。

如图1所示，现有的光学轨道角动量分选器将呈OAM状态的激光光源首先经对数极化映射器对光源进行对数极化坐标转换，将平面中的极坐标映射到输出平面的直角坐标系。光束经焦距f透镜后，在后焦面上经映射校正器校正残余相差。出射光束再经扇出元件，生成相同的多束光，其中扇出元件是一种相位光栅，用于将光束衍射成N个间隔均匀的阶数，每阶具有相同的空间轮廓和相等的能量。多束光再经透镜聚焦和准直后到达扇出校正器来去除傅里叶平面中不同光束之间的相对相位。最后经透镜将光束再次经傅里叶变换聚焦到更窄的区域以便在CCD上成像。

在本实施例中，呈OAM状态的激光光源首先经二次扇出映射器同时实现保角映射、光束复制和光束聚焦。至此可得到已聚焦地含有N阶共2N+1束夹角相同、功率相同的展开光束。该光束再经双相校正器消除展开光束的相位失真，并弥补相邻分束光束的相位跳变得到有平滑波前的放大光束。最后经透镜将光束再次经傅里叶变换聚焦到更窄的区域以便在CCD上成像。

图2是本发明的实施例提供的反射式光学轨道角动量分选系统，利用含有不同OAM状态的He-Ne激光器作为光源，波长为632.8nm。空间光调制器的分辨率为1920×1080，像素间距为8μm，填充系数为87％，一半空间光调制器的分辨率为960×1080，ψ₁，ψ₂分别为左半部分和右半部分的位相分布。光束首先被立方分束器反射到反射式空间光调制器的左半部分，在空间光调制器的左半部分分布着二次扇出映射器的相位结构，计算所得该装置的焦距f＝191mm，为增加分辨率，扇出项生成三束复制光束。

展开的扇出光束被直角棱镜反射到空间光调制器的右半部分，其右半部分分布有双相校正器的相位结构，双相校正器校正展开光束的相位失真和相邻展开光束的相位突变。经校正的光束被另一个立方分束器反射到傅里叶透镜L1上，并被透镜聚焦到CCD上成像。此处需要在两个立方分束器之间夹一张黑纸防止光束沿不需要的方向传播。

图3所示是实施例二提供的透射式光学轨道角动量分选系统的结构示意图。呈环形分布的光束首先经透射式空间光调制器的上表面得到经展开的2N+1束扇出光束，展开后的光束传播距离f后到达空间光调制器的后表面，并在其上校正相位失真和相位突变。输出光束再经过傅里叶透镜聚焦得到一组平行的直线光场分布。

图4所示是三项复制光束的模拟和实验结果。图像显示CCD摄像机在x"-y"平面捕获到的光束强度分布图。清楚地表明OAM模式的圆形强度分布被展开为直线，并且螺旋相位梯度被转换为横向相位梯度，不同的OAM模式被分类为具有各种垂直位置的一组平行线。

本领域的技术人员容易理解，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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学轨道角动量分选系统，其特征在于，包括立方分束器、反射式空间光调制模块、直角棱镜及傅里叶透镜；所述立方分束器用于将入射光束反射到所述反射式空间光调制模块得到第一光束，所述直角棱镜用于改变第一光束的方向使其再次入射到所述反射式空间光调制模块得到第二光束，所述反射式空间光调制模块用于对第一光束进行保角映射、复制、聚焦，对第二光束进行相位校正，所述傅里叶透镜用于对经过所述反射式空间光调制模块的第一光束和第二光束进行傅里叶变换，在所述傅里叶透镜的后焦面将不同的轨道角动量状态分离到不同的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射式空间光调制模块包括二次扇出映射器和双相校正器，所述二次扇出映射器用于对第一光束进行保角映射、复制和聚焦，所述双相校正器用于对经过所述二次扇出映射器后的第二光束进行相位校正。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述双相校正器放置于所述二次扇出映射器的傅里叶平面。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述傅里叶透镜放置于所述双相校正器的傅里叶平面。

5.一种基于权利要求1至4任一所述系统的光学轨道角动量分选方法，其特征在于，包括：

将入射涡旋光束进行保角映射、复制、聚焦和相位校正分成两束光束，得到不同状态的轨道角动量；

对所述不同状态的轨道角动量进行傅里叶变换，分离得到不同状态的轨道角动量的位置。

6.一种光学轨道角动量分选系统，其特征在于，包括透射式空间光调制模块和傅里叶透镜；所述透射式空间光调制模块用于对入射涡旋光束进行保角映射、复制、展开及相位校正，所述傅里叶透镜用于对相位校正后的光束进行傅里叶变换，在所述傅里叶透镜的后焦面将不同的轨道角动量状态分离到不同的位置。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述透射式空间光调制模块包括透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器的第一表面用于对入射涡旋光束进行保角映射、复制和展开，所述透射式空间光调制器的第二表面用于对所述展开的光束进行相位校正。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述透射式空间光调制器的第一表面和第二表面的间距等于傅里叶透镜的焦距。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述傅里叶透镜放置于透射式空间光调制器第二表面的傅里叶平面。

10.一种基于权利要求6至9任一项所述系统的光学轨道角动量分选方法，其特征在于，包括：

将入射涡旋光束进行保角映射、复制、聚焦和相位校正，得到不同状态的轨道角动量；

对所述不同状态的轨道角动量进行傅里叶变换，分离得到不同状态的轨道角动量的位置。