CN113534471B - 三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法、装置、电子设备和存储介质，该方法包括：搭建光场调制装置，光场调制装置可调制得到束腰位置接近空间光调制器感光面的高斯光束；建立相干态光场的波迹二象性理论，根据波迹二象性理论确定三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数；根据目标参数，计算得到相位全息模板，并将相位全息模板写入空间光调制器；将高斯光束照射加载相位全息模板图的空间光调制器得到目标光场。本发明实施例避免了严格、精确地调节激光谐振腔参数以满足苛刻条件，同时还可以在更大范围、更稳定、更可控地产生三维波包轨迹耦合光束，具有操作便捷、可灵活定制光场的优点。

Description

三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法及装置

技术领域

本发明涉及光场调控领域，尤其涉及一种三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法、装置、电子设备和存储介质。

背景技术

光场调控，一般是指对光场的空间分布进行强度和相位调制，以获得具有特定强度和相位分布的结构光束，广泛应用于光通信、光学微操控、特种加工、量子光学等领域。SU(2)相干态光束作为一种特殊的体现量子-经典关联的特殊光源，拥有极为丰富的横模特征，可用于光学操控量子光学，微粒子操控和量子通信等领域。

目前现有技术中产生SU(2)相干态的唯一方法是频率简并腔(FrequencyDegenerated Cavity,FDC)方法，利用谐振腔的多横-纵模频率简并条件，SU(2)相干态中的不同本征态对应的本征频率为定值。这时要求Δω_n；m；l＝ω_{n+pK；m+qK；l+sK}-ω_n；m；l＝0。由于平凹腔激光器横纵模间隔之间比例有如下关系：

其中，p和q横模间隔比例，ω_n；m；l为谐振腔本征频率，L为平凹腔腔长，R为腔镜的曲率半径。

这里Ω∈(0,1)，且只有当Ω为有理数时，频率简并条件才有可能满足。上式表明横纵模间隔比例严格依赖于腔长和腔镜曲率的调节，又因为谐振腔稳定性条件(L<R)的存在，使得可实现的Ω∈(0,1/2)。正是由于这种方法严重依赖于谐振腔参数(腔长、腔镜曲率等)，需要严格、精确地调节腔参数(腔长、腔镜曲率等)以满足频率简并腔的苛刻条件，较难实现不同SU(2)相干态模式的转换；同时，受到谐振腔稳定性、腔长长度等因素的限制，导致多种类别的SU(2)相干态光场无法通过该方法产生；此外由于谐振腔本身的限制，导致SU(2)耦合的本征态很难在谐振腔里灵活控制，一般谐振腔只能输出厄米特-高斯模式族，其他SU(2)本征模式需要通过腔外模式转换产生。以上这些特点都说明，基于腔内的复杂调谐不仅提高了成本，还严重限制了工作效率和调谐的灵活性。

因此，如何提出一种方法，能够实现避免了现有技术需要严格、精确地调节腔参数以满足频率简并腔的苛刻条件，避免了搭建复杂固体激光器，不依赖于激光谐振腔的调制系统便可以简单、灵活地获得广义SU(2)相干态光束，成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法、装置、电子设备和存储介质。

第一方面，本发明实施例提供了一种三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，包括：

搭建光场调制装置，所述光场调制装置可调制得到束腰位置接近空间光调制器感光面的高斯光束；

建立相干态光场的波迹二象性理论，根据所述波迹二象性理论确定三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数；

根据所述目标参数，计算得到相位全息模板，并将所述相位全息模板写入所述空间光调制器；

将所述高斯光束照射加载所述相位全息模板图的所述空间光调制器得到目标光场。

第二方面，本发明实施例提供一种三维波包轨迹耦合光束的腔外产生装置，包括：

搭建模块，用于搭建光场调制装置，所述光场调制装置可调制得到束腰位置接近空间光调制器感光面的高斯光束；

建立模块，用于建立相干态光场的波迹二象性理论，根据所述波迹二象性理论确定三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数；

计算模块，用于根据所述目标参数，计算得到相位全息模板，并将所述相位全息模板写入所述空间光调制器；

照射模块，将所述高斯光束照射加载所述相位全息模板图的所述空间光调制器得到目标光场。

第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法。

本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法、装置、电子设备和存储介质，通过采用加载至空间光调制器的相位全息模板，即可获得所需的各种目标三维波包轨迹耦合光束，无需激光谐振腔，避免了严格、精确地调节腔参数以满足简并腔的苛刻条件，避免了搭建复杂固体激光器电路及制冷控制系统，可以在更大范围、更稳定、更可控地产生三维波包轨迹耦合光束，具有装置简单、操作便捷、可灵活定制光场的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的光场调制装置流程示意图；

图3为本发明实施例提供的光场调制装置观测结果流程示意图；

图4为本发明实施例提供的归一化振幅和相位分布示意图；

图5为本发明实施例提供的相位全息模板示意图；

图6为本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生装置模块流程示意图；

图7为本发明实施例提供一种电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

量子光学中激光器的模式可以表示为三维耦合的横向对称线性谐振子的本征解，其哈密顿量可以表示为：

其中，

a_x分别为光子产生和湮灭算符，

为普朗克常量，ω₀和ω_z分别为横向和纵向谐振频率，对应的本征态和本征频率分别可以表示为：

ω_n,m,l＝(n+m+1)ω₀+lω_z

其中，n，m，l分别为谐振子在x，y和z轴向本征态振荡的模式阶数，本征态等效于波动方程在笛卡尔坐标系中的本征解系(厄米特-高斯模式)。然而，结构光的不断发展揭示了激光束也可以打破横向对称呈现复杂的模式。在这种情况下，它可以被更一般的三维耦合的横向非对称线性谐振子描述。该谐振子的哈密顿量及其对应的本征态和本征频率如下式所示。

ω_x、ω_y和ω_z别为x轴向、y轴向和z轴向谐振频率。

根据施温格定理，上面的两个线性谐振子和一个角动量谐振子之间存在SU(2)耦合关系。通过SU(2)-李代数的推导，将SU(2)幺正变换应用到横对称谐振子的阶梯算符上，一般的三维谐振子(包括三维横向非对称谐振子)可以通过横对称谐振子进行变换得到:

同样两个线性谐振子本征态之间可以通过wigner-d变换实现：

其中，α和β为SU(2)转换角度，wigner-d矩阵元素表示为：

相干态是一种最类似于经典态的量子态，在这种量子态中，概率波包与相应的哈密顿量所产生的经典运动相耦合，哈密顿量可以用一组具有亚泊松分布的本征态的叠加来表示。SU(2)耦合的线型谐振子对应的相干态被称为SU(2)相干态光场，可以表示为：

目前已报道的产生SU(2)相干态的唯一方法是频率简并腔(FrequencyDegenerated Cavity,FDC)方法，利用谐振腔的多横-纵模频率简并条件，SU(2)相干态中的不同本征态对应的本征频率为定值。这时要求Δω_n；m；l＝ω_{n+pK；m+qK；l+sK}-ω_n；m；l＝0。由于平凹腔激光器横纵模间隔之间比例有如下关系：

这里Ω∈(0,1)，且只有当Ω为有理数时，频率简并条件才有可能满足。上式表明横纵模间隔比例严格依赖于腔长(L)和腔镜曲率(R)的调节，又因为谐振腔稳定性条件(L<R)的存在，使得可实现的Ω∈(0,1/2)。正是由于这种方法严重依赖于谐振腔参数(腔长、腔镜曲率等)，需要严格、精确地调节腔参数(腔长、腔镜曲率等)以满足频率简并腔的苛刻条件，较难实现不同SU(2)相干态模式的转换；同时，受到谐振腔稳定性、腔长长度等因素的限制，导致多种类别的SU(2)相干态光场无法通过该方法产生；此外由于谐振腔本身的限制，导致SU(2)耦合的本征态很难在谐振腔里灵活控制，一般谐振腔只能输出厄米特-高斯模式族，其他SU(2)本征模式需要通过腔外模式转换产生。以上这些特点都说明，基于腔内的复杂调谐不仅提高了成本，还严重限制了工作效率和调谐的灵活性。

本发明实施例提出了一种新型的产生及定制SU(2)相干态光束的方法，完全以数字化为基础，更加灵活，同时不依靠激光谐振腔。该方法突破了现有技术的瓶颈(Ω可以为任意值)，避免了现有技术需要严格、精确地调节腔参数以满足频率简并腔的苛刻条件，避免了搭建复杂固体激光器。本发明仅需更换加载至SLM的相位全息模板，即可获得所需的各种目标SU(2)相干态光场；同时与现有的频率简并腔方法相比，可以在更大范围、更稳定、更可控地产生SU(2)相干态光场；因而，本发明具有装置简单、操作便捷、可灵活定制光场的优点。

本发明实施例提供一种三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，图1为本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：

101、搭建光场调制装置，所述光场调制装置可调制得到束腰位置接近空间光调制器感光面的高斯光束；

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，在上述101中，搭建基模高斯激光光源的扩束装置，即光场调制装置，以获得具有较大束腰尺寸的高斯光束，高斯光束的束腰位置接近空间光调制器感光面；

102、建立相干态光场的波迹二象性理论，根据所述波迹二象性理论确定三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数；

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，在上述102中，通过建立相干态光场的波迹二象性理论，确定相干态光场横模与各参数之间的关系；通过广义三维波包轨迹耦合光束(即SU(2)相干态光束)光场横模与参数之间的关联，得到所需光场对应的目标参数，其中，波迹二象性(wave-particle duality)指的是相干态光束传输过程中不仅遵循电磁波传播规律表现出波包特征，还表现出与经典宏观粒子运动相似的轨迹特征；

103、根据所述目标参数，计算得到相位全息模板，并将所述相位全息模板写入所述空间光调制器；

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，在上述103中，根据上述得到的广义三维波包轨迹耦合光束光场的目标参数，可以确定对应的广义三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式，然后根据计算全息法(CGH)，计算并得到目标相干态光场所需的纯相位调制相位全息模板，将上述得到的相位全息模板图加载至空间光调制器(SLM)，其中，空间光调制器是指在主动控制下，它可以通过液晶分子调制光场的某个参量，例如通过调制光场的振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态，或是实现非相干——相干光的转换，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的；

104、将所述高斯光束照射加载所述相位全息模板图的所述空间光调制器得到目标光场；

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，在上述104中，将高斯光束照射加载所述相位全息模板图的所述空间光调制器，空间光调制器(SLM)加载相位全息模板对扩束光场进行特定的纯相位调制得到目标光场。

例如：图2为本发明实施例提供的光场调制装置流程示意图，如图2所示，其中固体激光器的中心波长与空间光调制器(SLM)匹配；偏振分光棱镜进行偏振选择，仅允许水平偏振分量通过；半波片将水平偏振转变为竖直偏振光；透镜1和2焦点重合，构成倒置开普勒望远镜结构，对光源进行扩束，得到近平面光场；空间光调制器(SLM)加载相位全息模板对扩束光场进行特定的纯相位调制。透镜3用于对被调制的近平面光场进行傅立叶变换，进行级数分离。孔径光阑用于空间滤波，选择目标的一阶傅立叶频率通过。透镜4用于调整目标SU(2)相干态光束的光腰位置和瑞利长度，方便对光场进行观测，图3为本发明实施例提供的光场调制装置观测结果流程示意图，如图3所示。

本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，通过采用加载至空间光调制器的相位全息模板，即可获得所需的各种目标三维波包轨迹耦合光束，无需激光谐振腔，避免了严格、精确地调节腔参数以满足简并腔的苛刻条件，避免了搭建复杂固体激光器电路及制冷控制系统，可以在更大范围、更稳定、更可控地产生三维波包轨迹耦合光束，具有装置简单、操作便捷、可灵活定制光场的优点。

进一步地，在上述实施例的基础上，还包括：

对所述高斯光束进行滤波和选模，获得稳定传输的所述三维波包轨迹耦合光束；

更换加载至所述空间光调制器的所述相位全息模板即可获得所需的各种目标所述三维波包轨迹耦合光束。

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，对被调制的所述高斯光束进行滤波和选模，以获得稳定传输的所述三维波包轨迹耦合光束，采用稳定传输的所述三维波包轨迹耦合光束通过空间光调制器调制得到目标光场，更换加载至所述空间光调制器的所述相位全息模板即可获得所需的各种目标三维波包轨迹耦合光束。

本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，通过对高斯光束进行滤波和选模和更换加载至所述空间光调制器的所述相位全息模板，实现可以在更大范围、更稳定、更可控地产生三维波包轨迹耦合光束光场，并且具有装置简单、操作便捷、可灵活定制光场的优点。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述建立相干态光场的波迹二象性理论，根据所述波迹二象性理论确定三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数，具体包括：

根据相干态光场的波迹二象性理论，确定三维波包轨迹耦合光束光场横模与参数之间的关系；

通过三维波包轨迹耦合光束横模与参数之间的关系，获得所述三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数。

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，根据具有波迹二象性耦合效应的三维波包轨迹耦合光束光场理论，确定三维波包轨迹耦合光束光场横模与玻色子数(N)、模式间隔比例(p,q)、初始横模阶数(m,n)、初始相位间隔

等特征参数之间的关系；

结合SU(2)变换的特点，进一步建立含有轨道角动量的广义SU(2)相干态光场理论，确定相干态光场横模与SU(2)变换参数(α、β)之间的关系，通过三维波包轨迹耦合光束横模与各所述三维波包轨迹耦合光束光场参数之间的关联，获得所述三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数。

本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，通过根据相干态光场的波迹二象性理论确定目标参数，以达到可以更准确地确定所述三维波包轨迹耦合光束光场横模与参数之间的关系。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述通过相干态光场的波迹二象性理论，确定三维波包轨迹耦合光束光场横模与参数之间的关系，具体包括：

根据薛定谔的量子波包理论，利用横模耦合效应建立具有波迹二象性耦合效应的三维波包轨迹耦合光束光场理论；

根据所述波迹二象性耦合效应的三维波包轨迹耦合光束光场理论，确定所述三维波包轨迹耦合光束光场横模与参数之间的关系。

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，根据薛定谔的量子波包理论，利用横模耦合效应建立具有波迹二象性耦合效应的三维波包轨迹耦合光束光场理论，确定三维波包轨迹耦合光束光场横模与玻色子数(N)、模式间隔比例(p,q)、初始横模阶数(m,n)、初始相位间隔

等特征参数之间的关系。

本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，通过根据薛定谔的量子波包理论，利用横模耦合效应建立具有波迹二象性耦合效应的相干态光场理论，可以更准确地确定所述三维波包轨迹耦合光束光场横模与参数之间的关系。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述根据所述目标参数，计算得到相位全息模板，并将所述相位全息模板写入所述空间光调制器，具体包括：

根据所述目标参数，确定对应的三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式；

根据计算全息方法和所述三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式，计算并得到所述三维波包轨迹耦合光束光场所需的所述相位全息模板；

将所述相位全息模板写入所述空间光调制器。

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，根据上述得到的广义三维波包轨迹耦合光束光场的目标参数，确定对应的广义三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式，根据计算全息法(CGH)，计算并得到目标相干态光场所需的纯相位调制相位全息模板，将上述得到的相位全息模板图加载至空间光调制器(SLM)。

本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，通过结合SU(2)变换建立了广义的SU(2)量子相干态理论，通过该理论可以确定目标SU(2)光场的系统参数和解析表达式，同时使用计算全息的方法，并搭建不依赖于激光谐振腔的调制系统便可以更大范围、更稳定、更可控地产生SU(2)相干态光场，并且具有装置简单、操作便捷、可灵活定制光场的优点。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述根据所述三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数，确定对应的三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式，具体包括：

根据所述三维波包轨迹耦合光束光场的空间特征，确定所述三维波包轨迹耦合光束光场的特征参数；

将所述三维波包轨迹耦合光束光场的特征参数代入三维波包轨迹耦合光束光场族的表达式中，得到所述三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式。

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，根据所需的广义SU(2)相干态光场的空间特征，确定广义SU(2)光场的特征参数，将光场的特征参数代入SU(2)光场族的表达式中，得到所需的SU(2)相干态光场的解析表达式。

例如：本实施例的目标光场是具有李萨如(Lissajous)模式的SU(2)相干态光场，根据目标光场的特征参数，将以上特征参数代入广义SU(2)相干态光场的表达式：

SU(2)相干态光场的解析表达式为：

N为玻色子，p和q横模间隔比例，K为叠加变量，n和m分别为x和y方向初始横模阶数，l为初始纵模阶数，

为初始相位间隔，α和β为SU(2)转换角度。

本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，通过结合SU(2)变换建立了广义的SU(2)量子相干态理论，通过该理论可以确定目标SU(2)光场的系统参数和解析表达式，同时使用计算全息的方法，并搭建不依赖于激光谐振腔的调制系统便可以更大范围、更稳定、更可控地产生SU(2)相干态光场，并且具有装置简单、操作便捷、可灵活定制光场的优点。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述根据计算机产生全息图方法和所述三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式，计算并得到所述三维波包轨迹耦合光束光场所需的所述相位全息模板，具体包括：

根据所述三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式，进行数值计算离散化处理，得到所述目标光场的相位及振幅分布；

使用所述目标光场的相位及振幅分布，结合计算全息法，构造所述相位全息模板。

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，根据SU(2)光场的解析表达式，进行数值计算离散化处理，得到目标光场的相位及振幅分布矩阵，并对振幅矩阵进行归一化处理，然后使用目标光场的相位及振幅分布，结合计算全息法(CGH)，构造获得目标目标所需的相位全息模板，全息模板的分辨率与SLM的分辨率一致。

例如：若目标光场是具有李萨如(Lissajous)模式的SU(2)相干态光场，图4为本发明实施例提供的归一化振幅和相位分布示意图，如图4所述，具体实施步骤如下：

根据相位和振幅的分布，可以判断其特征参数为玻色子N＝5，横模间隔比例p＝-3,q＝4、初始模式阶数n＝20,m＝10、初始相位间隔为

SU(2)转换角度为α＝β＝0。

将以上特征参数代入广义SU(2)相干态光场的表达式：

N为玻色子，p和q横模间隔比例，n和m为初始横模阶数，l为初始纵模阶数，

为初始相位间隔，α和β为SU(2)转换角度。

接下来，首先将z＝0处(不局限于z＝0，任意位置均可，这里以z＝0处为例)的目标光场的振幅和相位分布进行矩阵化处理，并对振幅矩阵做归一化处理得到目标光场的振幅和相位矩阵。对于获得的目标光场的振幅和相位矩阵，利用计算相位全息法，计算对应的相位全息模板。计算方法具体表述为：

1、归一化处理的矩阵化的复振幅光场可表示为：

U(x,y)＝A(x,y)exp[iP(x,y)]

其中A(x,y)∈[0,1]为振幅矩阵，P(x,y)∈[0,2π]为相位矩阵，i为虚数单位，表示相位项。

2、假设使用M(x,y)＝exp[iψ(A,P)]的相位模板可在其一阶傅立叶级数获得目标复振幅光场。对相位模板以相位函数进行傅立叶级数展开，可表示为：

M(x,y)＝exp[iψ(A,P)]为相位模板。

其中，当一阶系数

(C为常数)时，可通过一阶傅立叶级数获得目标光场分布。根据傅立叶变换关系，傅立叶级数的系数可以表示为：

将

代入上式可得：

因而，相位模板对相位分布P为奇函数。

3、假设全息模板为未知振幅函数和正弦相位函数的乘积，如下式所示：

ψ(A,P)＝f(A)sin(P)

接下来，只需要求解该位置振幅函数f(A)便可得到相位全息模板，于是将ψ(A,P)代入傅立叶级数系数的表达式中，可得f(A)满足CA＝J₁[f(A)](J₁为1阶贝塞尔函数)，由贝塞尔函数的性质可知，C的最大值约为0.5814，即

因而相位全息模板的表达式为：

J₁为1阶贝塞尔函数。

4、为了使得目标SU(2)光场与其他级次分离，采用闪耀光栅：

此时不同的级次q具有不同的空间频率，可在频谱空间分离。相位全息模板可进一步写为：

u₀,v₀分别为x和y方向闪耀光栅周期长度的倒数。

从而得到纯相位SU(2)光场定制的相位全息模板，图5为本发明实施例提供的相位全息模板示意图，如图5所述。

本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，通过结合SU(2)变换建立了广义的SU(2)量子相干态理论，通过该理论可以确定目标SU(2)光场的系统参数和解析表达式，同时使用计算全息的方法，并搭建不依赖于激光谐振腔的调制系统便可以更大范围、更稳定、更可控地产生SU(2)相干态光场，并且具有装置简单、操作便捷、可灵活定制光场的优点，为SU(2)相干态光场在光学微操控、量子通信、量子纠缠领域的应用奠定了基础。

进一步地，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供了一种三维波包轨迹耦合光束的腔外产生装置，该装置用于执行上述方法实施例中的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法。图6为本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生装置模块的流程示意图，如图6所示，该装置包括：搭建模块601、建立模块602、计算模块603和照射模块604；其中，

搭建模块601，用于搭建光场调制装置，所述光场调制装置可调制得到束腰位置接近空间光调制器感光面的高斯光束；

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生装置，在上述搭建模块601中，搭建模块601搭建基模高斯激光光源的扩束装置，即光场调制装置，以获得具有较大束腰尺寸的高斯光束，高斯光束的束腰位置接近空间光调制器感光面；

建立模块602，用于建立相干态光场的波迹二象性理论，根据所述波迹二象性理论确定三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数；

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生装置，在上述建立模块602中，建立模块602通过建立相干态光场的波迹二象性理论，确定相干态光场横模与各参数之间的关系；通过广义三维波包轨迹耦合光束(即SU(2)相干态光束)光场横模与参数之间的关联，得到所需光场对应的目标参数；

计算模块603，用于根据所述目标参数，计算得到相位全息模板，并将所述相位全息模板写入所述空间光调制器；

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生装置，在上述计算模块603中，计算模块603根据上述得到的广义三维波包轨迹耦合光束光场的目标参数，可以确定对应的广义三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式，然后根据计算全息法(CGH)，计算并得到目标相干态光场所需的纯相位调制相位全息模板，将上述得到的相位全息模板图加载至空间光调制器(SLM)；

照射模块604，将所述高斯光束照射加载所述相位全息模板图的所述空间光调制器得到目标光场。

具体的，根据上述实施例的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生装置，在上述照射模块604中，照射模块604将高斯光束照射加载所述相位全息模板图的所述空间光调制器，空间光调制器(SLM)加载相位全息模板对扩束光场进行特定的纯相位调制得到目标光场。

需要说明的是，本发明实施例的装置可用于执行图1所示的一种三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本发明实施例提供的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生装置，通过采用加载至空间光调制器的相位全息模板，即可获得所需的各种目标三维波包轨迹耦合光束，无需激光谐振腔，避免了严格、精确地调节腔参数以满足简并腔的苛刻条件，避免了搭建复杂固体激光器电路及制冷控制系统，可以在更大范围、更稳定、更可控地产生三维波包轨迹耦合光束，具有装置简单、操作便捷、可灵活定制光场的优点。

举个例子如下：

图7为本发明实施例提供一种电子设备的实体结构示意图，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)701、通信接口(Communications Interface)702、存储器(memory)730和通信总线704，其中，处理器701，通信接口702，存储器703通过通信总线704完成相互间的通信。处理器701可以调用存储器703中的逻辑指令，以执行如下方法：搭建光场调制装置，所述光场调制装置可调制得到束腰位置接近空间光调制器感光面的高斯光束；建立相干态光场的波迹二象性理论，根据所述波迹二象性理论确定三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数；根据所述目标参数，计算得到相位全息模板，并将所述相位全息模板写入所述空间光调制器；将所述高斯光束照射加载所述相位全息模板图的所述空间光调制器得到目标光场。

此外，上述的存储器703中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：搭建光场调制装置，所述光场调制装置可调制得到束腰位置接近空间光调制器感光面的高斯光束；建立相干态光场的波迹二象性理论，根据所述波迹二象性理论确定三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数；根据所述目标参数，计算得到相位全息模板，并将所述相位全息模板写入所述空间光调制器；将所述高斯光束照射加载所述相位全息模板图的所述空间光调制器得到目标光场。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，其特征在于，包括：

搭建光场调制装置，所述光场调制装置可调制得到束腰位置接近空间光调制器感光面的高斯光束；

建立相干态光场的波迹二象性理论，根据所述波迹二象性理论确定三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数；

根据所述目标参数，计算得到相位全息模板，并将所述相位全息模板写入所述空间光调制器；

将所述高斯光束照射加载所述相位全息模板图的所述空间光调制器得到目标光场。

2.根据权利要求1所述的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，其特征在于，还包括：

对所述高斯光束进行滤波和选模，获得稳定传输的所述三维波包轨迹耦合光束；

更换加载至所述空间光调制器的所述相位全息模板即可获得所需的各种目标所述三维波包轨迹耦合光束。

3.根据权利要求1所述的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，其特征在于，所述建立相干态光场的波迹二象性理论，根据所述波迹二象性理论确定三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数，具体包括：

根据相干态光场的波迹二象性理论，确定三维波包轨迹耦合光束光场横模与参数之间的关系；

通过三维波包轨迹耦合光束横模与参数之间的关系，获得所述三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数。

4.根据权利要求3所述的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，其特征在于，所述根据相干态光场的波迹二象性理论，确定三维波包轨迹耦合光束光场横模与参数之间的关系，具体包括：

根据薛定谔的量子波包理论，利用横模耦合效应建立具有波迹二象性耦合效应的三维波包轨迹耦合光束光场理论；

根据所述波迹二象性耦合效应的三维波包轨迹耦合光束光场理论，确定所述三维波包轨迹耦合光束光场横模与参数之间的关系。

5.根据权利要求1所述的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，其特征在于，所述根据所述目标参数，计算得到相位全息模板，并将所述相位全息模板写入所述空间光调制器，具体包括：

根据所述目标参数，确定对应的三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式；

根据计算全息方法和所述三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式，计算并得到所述三维波包轨迹耦合光束光场所需的所述相位全息模板；

将所述相位全息模板写入所述空间光调制器。

6.根据权利要求5所述的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，其特征在于，所述根据所述三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数，确定对应的三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式，具体包括：

根据所述三维波包轨迹耦合光束光场的空间特征，确定所述三维波包轨迹耦合光束光场的特征参数；

将所述三维波包轨迹耦合光束光场的特征参数代入三维波包轨迹耦合光束光场族的表达式中，得到所述三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式。

7.根据权利要求5所述的三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法，其特征在于，所述根据计算机产生全息图方法和所述三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式，计算并得到所述三维波包轨迹耦合光束光场所需的所述相位全息模板，具体包括：

根据所述三维波包轨迹耦合光束光场的解析表达式，进行数值计算离散化处理，得到所述目标光场的相位及振幅分布；

使用所述目标光场的相位及振幅分布，结合计算全息法，构造所述相位全息模板。

8.一种三维波包轨迹耦合光束的腔外产生装置，其特征在于，包括：

搭建模块，用于搭建光场调制装置，所述光场调制装置可调制得到束腰位置接近空间光调制器感光面的高斯光束；

建立模块，用于建立相干态光场的波迹二象性理论，根据所述波迹二象性理论确定三维波包轨迹耦合光束光场对应的目标参数；

计算模块，用于根据所述目标参数，计算得到相位全息模板，并将所述相位全息模板写入所述空间光调制器；

照射模块，将所述高斯光束照射加载所述相位全息模板图的所述空间光调制器得到目标光场。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述三维波包轨迹耦合光束的腔外产生方法的步骤。

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