CN113093397B - 一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统 - Google Patents
一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统，该方法包括：将带有轨道角动量的光场经过第一块相位板后，基于光学螺旋坐标变换，沿着螺旋线进行不同程度的角度缩放；随后光场通过第二块相位板，该相位板可以对光学变换带来的相位畸变进行补偿，从而使得入射涡旋光束转换为分数阶模式的出射涡旋光束。通过使用本发明，能高效地模式转换并输出环状分布的分数阶涡旋光束。本发明作为一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统，可广泛应用于光通信应用的空间模式转换领域。
Description
技术领域
本发明涉及光通信应用的空间模式转换领域，尤其涉及一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统。
背景技术
近年来，随着现代信息技术产业的迅速发展以及智能终端的不断普及，大流量消耗性业务的兴起对通信传输容量提出了巨大挑战。在光通信领域，由于频谱资源日益紧张，纵使研究者们采用时分空分模分等多种通信复用技术来扩大传输容量，通信容量的不足仍是通信领域亟待解决的一个问题。作为目前通信领域的一个热门研究方向，基于空域的模分复用技术指的是光场在空间传输中存在若干相互正交的本征模式，不同的空间模式可以复用于单个信道来传输多组数据，从而提升了系统的传输容量。在众多的空域模分技术中，携带光子轨道角动量(orbitalangularmomentum，OAM)的涡旋光场在理论上具有无数相互正交的空间模式，在通信系统的传输、解复用、探测、模式转换等方面具有极大的应用潜力，而受到了广泛关注。
OAM模式调控，即实现不同OAM模式之间的任意转换，对于多模OAM通信系统尤为重要。模式的任意转换可以实现基于OAM的开关和路由功能，或者增大输入OAM信号的模式差以减小信号相邻串扰。对OAM模式进行加减操作是最为简单的一种调控，只需要把 OAM信号通过特定的螺旋相位板就可实现模式变换，但这种方式的灵活度极其有限。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统，对输入的环状整数阶涡旋信号进行模式转换，输出环状缺口分布的传统型分数阶涡旋信号。
本发明所采用的第一技术方案是：一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，包括以下步骤：
S1：将带有光子轨道角动量的预设涡旋光场垂直入射到(x,y)平面的第一相位板；
S2：入射涡旋光场经过第一相位板以螺旋线的形式分解后，进行角度缩放与周期相位调控，并传播到第二相位板的(u,v)平面；
S3：调制后光场经过第二相位板以螺旋线路径进行相位畸变的补偿，得到环状分布的分数阶涡旋光束；
S4：将通过第二相位板调制的分数阶涡旋光束通过4f透镜系统，得到环状分数阶涡旋光模式；
所述第一相位板上加载相位调制Q，所述涡旋光场的中心与第一相位板的结构中心对准，所述第二相位板上加载相位调制P，所述4f透镜系统中间的焦平面处上设有孔径光阑。
进一步，还包括：
S5：根据4f透镜系统后焦面上的光强探测模块，记录模式转换的分数阶涡旋光场分布。
进一步，所述角度缩放对应的坐标映射关系式如下：
上式中，所述n表示模式变换的倍数，当|n|>1时，涡旋光模式转换为乘法变换，当|n|<1 时，涡旋光模式转换为除法变换，所述c表示螺旋变换的常数项因子，(r1,θ1)表示(x,y)平面上的螺旋极坐标，(r2,θ2)表示(u,v)平面上的螺旋极坐标。
进一步，所述(r1,θ1)可表示为：
θ1＝θ01+2m1π
上式中，所述a、r0表示对数螺旋变换的相关参数，所述r0表示映射到(u,v)平面的原点对应(x,y)平面的位置信息，所述θ01表示(x，y)平面上等角螺旋坐标的方位角信息，
所述m1表示(x，y)平面上等角螺旋坐标的螺旋线圈数，
所述a表示对数螺旋线的变化快慢程度，所述
表示取整数部分，所述θ1、θ2的取值范围是 (-∞,+∞)。
进一步，所述(r2,θ2)表示为：
θ2＝θ02-2m2π
上式中，所述θ02表示(u，v)平面上等角螺旋坐标的方位角信息，
所述 m2表示(u，v)平面上等角螺旋坐标的螺旋线圈数，
进一步，所述相位调制Q的表达式如下：
上式中，所述k表示入射涡旋光场在第一相位板与第二相位板之间的传播的波数，所述 d表示第一相位板与第二相位板之间的距离，所述f(θ1)是周期函数表达。
进一步，周期函数f(θ1)表达式如下：
上式中，所述s、t为两个互质整数，并能使得n为分数倍数因子，将入射涡旋整数模式转换为分数阶涡旋模式，所述l为输入涡旋光束的拓扑荷值，所述h为任意整数，使得f(θ1) 的取值在[-2π,2π]区间时，为最佳取值。
进一步，所述相位调制P的表达式如下：
本发明所采用的第二技术方案是：一种涡旋光束的分数阶模式转换系统，包括基于螺旋坐标变换的相位调制模块、基于傅里叶变换的滤波模块和光强探测模块，其中：
所述基于螺旋坐标变换的相位调制模块包括两个调制光场相位的相位板，其中第一块相位板位于(x,y)平面，第二块相位板位于(u,v)平面；
所述基于傅里叶变换的滤波模块包括两个凸透镜和一个孔径光阑，所述凸透镜的前焦面和后焦面处的光场满足傅里叶变换的关系，其中(u,v)平面位于第一个凸透镜前焦面，孔径光阑位于第一个凸透镜后焦面同时也位于第二个凸透镜前焦面；
所述光强探测模块用于获取光强分布信息，所在平面与第二个凸透镜后焦面相对应。
本发明方法及系统的有益效果是：本发明通过周期函数与螺旋变换结合的模式转换，实现分数阶涡旋模式的信号输出，得到光强呈环状缺口分布的分数阶涡旋模式，从而为涡旋光模式转换提供了更多的输出模式选择，提升了基于涡旋光模式转换的光通信系统的实际应用潜力。
附图说明
图1是本发明一种涡旋光束的分数阶模式转换方法的步骤流程图；
图2为本发明具体实施例的涡旋光束分数阶模式转换的系统构成示意图。
图3为实施例子中基于坐标变换的改进螺旋转换方案的原理图。
图4为实施例子中方案改进前后的光强分布变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明提供了一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，该方法包括以下步骤：
S1：将带有光子轨道角动量的预设涡旋光场垂直入射到(x,y)平面的第一相位板；
S2：入射涡旋光场经过第一相位板以螺旋线的形式分解后，进行角度缩放与周期相位调控，并传播到第二相位板的(u,v)平面；
S3：调制后光场经过第二相位板以螺旋线路径进行相位畸变的补偿，得到环状分布的分数阶涡旋光束；
S4：将通过第二相位板调制的分数阶涡旋光束通过4f透镜系统，得到环状分数阶涡旋光模式；
所述第一相位板上加载相位调制Q，所述涡旋光场的中心与第一相位板的结构中心对准，所述第二相位板上加载相位调制P，所述4f透镜系统中间的焦平面处上设有孔径光阑。
进一步作为本方法的优选实施例，还包括：
S5：根据4f透镜系统后焦面上的光强探测模块，记录模式转换的分数阶涡旋光场分布。
进一步作为本方法的优选实施例，所述角度缩放对应的坐标映射关系式如下：
上式中，所述n表示模式变换的倍数，当|n|>1时，涡旋光模式转换为乘法变换，当|n|<1 时，涡旋光模式转换为除法变换，所述c表示螺旋变换的常数项因子，(r1,θ1)表示(x,y)平面上的螺旋极坐标，(r2,θ2)表示(u,v)平面上的螺旋极坐标。
进一步作为本方法的优选实施例，所述(r1,θ1)可表示为：
θ1＝θ01+2m1π
上式中，所述a、r0表示对数螺旋变换的相关参数，所述r0表示映射到(u,v)平面的原点对应(x,y)平面的位置信息，所述θ01表示(x，y)平面上等角螺旋坐标的方位角信息，
所述m1表示(x，y)平面上等角螺旋坐标的螺旋线圈数，
所述a表示对数螺旋线的变化快慢程度，所述
表示取整数部分，所述θ1、θ2的取值范围是(-∞,+∞)。
进一步作为本方法优选实施例，所述(r2,θ2)表示为：
θ2＝θ02-2m2π
上式中，所述θ02表示(u，v)平面上等角螺旋坐标的方位角信息，
所述 m2表示(u，v)平面上等角螺旋坐标的螺旋线圈数，
具体地，坐标变换的原理图参照图3。
如图2所示，一种涡旋光束的分数阶模式转换系统，包括基于螺旋坐标变换的相位调制模块、基于傅里叶变换的滤波模块和光强探测模块，其中：
所述基于螺旋坐标变换的相位调制模块包括两个调制光场相位的相位板，其中第一块相位板位于(x,y)平面，第二块相位板位于(u,v)平面；
具体地，两块相位板可以是空间光调制器，超构表面，自由光学曲面或者衍射光学元件。
所述基于傅里叶变换的滤波模块包括两个凸透镜和一个孔径光阑，所述凸透镜的前焦面和后焦面处的光场满足傅里叶变换的关系，其中(u,v)平面位于第一个凸透镜前焦面，孔径光阑位于第一个凸透镜后焦面同时也位于第二个凸透镜前焦面；
所述光强探测模块用于获取光强分布信息，所在平面与第二个凸透镜后焦面相对应。
具体地，光强探测模块主要由CCD构成。
激光器产生的高斯光斑经过准直镜与偏振片后入射到空间光调制器的液晶面，被调制后得到涡旋光束。涡旋光束通过4f透镜系统滤波，输出具有特定OAM模式的涡旋光场。在此实例说明中，以拓扑荷l＝1的OAM光束进行具体说明。
涡旋光束入射到相位调制模块中的相位板1，其中光场中心要与相位调制结构中心对准。相位板1对入射光场进行角度缩放的相位调控，同时施加了周期相位。在此实例说明中，输入的涡旋模式拓扑荷l＝1，模式转换倍数为1.5。因此入射光场以螺旋线形式拆解后会进行角向压缩，周期相位具体函数也由模式转换倍数1.5确定。具体相位调制为：
其中，k为入射涡旋光场在相位板1与相位板2之间的传播的波数，d为相位板1与相位板2之间的距离。r0为对数螺旋变换的相关参数，表示映射到(u,v)平面的原点对应(x,y)平面的位置信息。s和t为两个互质整数，从而能使得n为分数倍数因子，将入射涡旋整数模式转换为出射分数阶涡旋模式；所述l为输入涡旋光束的拓扑荷值，h为任意整数，使得f(θ1)的取值在[-2π,2π]区间时，为最佳取值。
经过相位板1调制的涡旋光场在传输d距离后实现了对应的模式转换，但此时仍存在坐标变换引入的光场相位畸变。因此在该平面放置相位板2，对涡旋光场进行相位校正。校正函数为：
经过相位板2校正后输出的，为模式转换后的分数阶涡旋光场。由于坐标变换中的角度缩放调控，校正后输出的涡旋光场还存在其他杂散模式。因此需要将分数阶涡旋光场通过由 4f透镜系统与孔径光阑组成的滤波系统。利用傅里叶平面上不同模式的高斯光斑位置不同，借助孔径光阑进行滤波，从而得到所需的分数阶涡旋模式。
最后借助由CCD组成的光强探测模块对输出光场进行检测。通过观测输出分数阶OAM 的光强为螺旋线分布亦或是环状缺口分布，即可判断改进的模式转换方案效果。图4展示了方案改进前后的输出光强分布示意图。
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将带有光子轨道角动量的预设涡旋光场垂直入射到(x,y)平面的第一相位板；
S2：入射涡旋光场经过第一相位板以螺旋线的形式分解后，进行角度缩放与周期相位调控，并传播到第二相位板的(u,v)平面；
S3：调制后光场经过第二相位板以螺旋线路径进行相位畸变的补偿，得到环状分布的分数阶涡旋光束；
S4：将通过第二相位板调制的分数阶涡旋光束通过4f透镜系统，得到环状分数阶涡旋光模式；
所述第一相位板上加载相位调制Q，所述涡旋光场的中心与第一相位板的结构中心对准，所述第二相位板上加载相位调制P，所述4f透镜系统中间的焦平面处上设有孔径光阑；
所述相位调制Q的表达式：
上式中，所述k表示入射涡旋光场在第一相位板与第二相位板之间的传播的波数，所述d表示第一相位板与第二相位板之间的距离，所述f(θ1)是周期函数表达，(r1,θ1)表示(x,y)平面上的螺旋极坐标，所述r0表示映射到(u,v)平面的原点对应(x,y)平面的位置信息；
周期函数f(θ1)表达式如下，
上式中，所述s、t为两个互质整数，并能使得n为分数倍数因子，将入射涡旋整数模式转换为分数阶涡旋模式，所述l为输入涡旋光束的拓扑荷值，所述h为任意整数，使得f(θ1)的取值在[-2π,2π]区间时，为最佳取值。
2.根据权利要求1所述一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，其特征在于，还包括：
S5：根据4f透镜系统后焦面上的光强探测模块，记录模式转换的分数阶涡旋光场分布。
3.根据权利要求2所述一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，其特征在于，所述角度缩放对应的坐标映射关系式如下：
上式中，所述n表示模式变换的倍数，当|n|>1时，涡旋光模式转换为乘法变换，当|n|<1时，涡旋光模式转换为除法变换，所述c表示螺旋变换的常数项因子，(r1,θ1)表示(x,y)平面上的螺旋极坐标，(r2,θ2)表示(u,v)平面上的螺旋极坐标。
4.根据权利要求3所述一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，其特征在于，所述(r1,θ1)可表示为：
θ1＝θ01+2m1π
上式中，所述θ01表示(x，y)平面上等角螺旋坐标的方位角信息，所述m1表示(x，y)平面上等角螺旋坐标的螺旋线圈数，所述a表示对数螺旋线的变化快慢程度，所述θ1、θ2的取值范围是(-∞,+∞)。
5.根据权利要求4所述一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，其特征在于，所述(r2,θ2)表示为：
θ2＝θ02-2m2π
上式中，所述θ02表示(u，v)平面上等角螺旋坐标的方位角信息，所述m2表示(u，v)平面上等角螺旋坐标的螺旋线圈数。
6.根据权利要求5所述一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，其特征在于，所述相位调制P的表达式如下：
7.一种涡旋光束的分数阶模式转换系统，其特征在于，包括基于螺旋坐标变换的相位调制模块、基于傅里叶变换的滤波模块和光强探测模块，其中：
所述基于螺旋坐标变换的相位调制模块包括两个调制光场相位的相位板，其中第一相位板位于(x,y)平面，第二相位板位于(u,v)平面；
将带有光子轨道角动量的预设涡旋光场垂直入射到(x,y)平面的第一相位板；
所述基于傅里叶变换的滤波模块包括两个凸透镜和一个孔径光阑，所述凸透镜的前焦面和后焦面处的光场满足傅里叶变换的关系，其中(u,v)平面位于第一个凸透镜前焦面，孔径光阑位于第一个凸透镜后焦面同时也位于第二个凸透镜前焦面；
所述第一个凸透镜与第二个凸透镜组成4f透镜系统；
所述第一相位板上加载相位调制Q，所述涡旋光场的中心与第一相位板的结构中心对准，所述第二相位板上加载相位调制P，所述4f透镜系统中间的焦平面处上设有孔径光阑；
所述相位调制Q的表达式：
上式中，所述k表示入射涡旋光场在第一相位板与第二相位板之间的传播的波数，所述d表示第一相位板与第二相位板之间的距离，所述f(θ1)是周期函数表达，(r1,θ1)表示(x,y)平面上的螺旋极坐标，所述r0表示映射到(u,v)平面的原点对应(x,y)平面的位置信息；
周期函数f(θ1)表达式如下，
上式中，所述s、t为两个互质整数，并能使得n为分数倍数因子，将入射涡旋整数模式转换为分数阶涡旋模式，所述l为输入涡旋光束的拓扑荷值，所述h为任意整数，使得f(θ1)的取值在[-2π,2π]区间时，为最佳取值；
所述光强探测模块用于获取光强分布信息，所在平面与第二个凸透镜后焦面相对应。
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