CN113783613A - 一种基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测方法。所述涡旋光轨道角动量检测方法采用软边小孔作为衍射光阑，涡旋光经过软边小孔形成远场的衍射分布，根据远场分布中主亮斑的数量来确定涡旋光的轨道角动量，所述软边小孔是一个内边缘具有一定程度软化因子的小孔，利用软边对衍射效应的收敛性来增强衍射分布中最外围主亮斑对相邻次亮斑的相对强度，提高主亮斑的可识别度和轨道角动量的可检测范围，小孔形状可以是圆形、三角形、矩形和多边形以及各种环形，所述一定程度软化因子是指软化因子可以根据具体情况来调整和优化以获得最佳的检测效果。
Description
技术领域
本发明涉及涡旋光和光的衍射传输等领域，具体涉及一种基于小孔的涡旋光轨道角动量检测方法。
背景技术
目前，随着无线通信技术的发展，人们对通信网络的带宽容量需求不断增加，但基于频率、波长、偏振态等方面的手段已经无法大规模提升通信系统的容量，人们开始将目光转向涡旋光束。涡旋光束是一种具有螺线型相位分布的光束，自Allen等人在1992年发现涡旋光束携带有轨道角动量(Orbital angular momentum，OAM)以来，涡旋光束已经成为近年来的研究热点之一。涡旋光束的轨道角动量可以用来对信息进行编码，OAM具有无限个模态，并且各个模态之间相互正交，因此理论上利用涡旋光束可以无限地提升通讯容量。早在2004年，Gibson Graham率先利用涡旋光进行自由空间中的信息传输，证实了OAM用于信息传输的可能性。
要实现涡旋光的应用，非常重要和关键的一步是对涡旋光轨道角动量的检测。目前常用来检测OAM的方法主要分为干涉法和衍射法。郭成山等人在2009年研究了涡旋光通过环形孔径后远场衍射强度分布中的空间光谱，发现空间光谱由亮环和暗环交替组成，并且亮环的数量与涡旋光的拓扑荷数完全相符。Hickmann等人在2010年研究了基于三角孔的涡旋光衍射，发现衍射分布中会出现随拓扑荷数变化的三角形亮斑阵列，亮斑阵列单侧主亮斑的数量减去1即为涡旋光的拓扑荷阶数。所谓的主亮斑，是指在低阶拓扑荷条件下，衍射分布中归一化强度接近于1的衍射光斑，接近于0的则称为次亮斑，随着拓扑荷的阶数增加，主亮斑的归一化强度会不断降低，而次亮斑的则会不断提高。当最外围的主亮斑和相邻次亮斑的相对强度不大时，将无法在衍射分布图中精确识别出主亮斑，此时基于小孔的涡旋光检测手段便达到了极限。Hickmann等人基于三角孔的检测方法只能用于测量不超过10阶的较低阶涡旋光。Mesquita等人于2011年对小孔检测进行改进，采用矩形孔对涡旋光进行衍射和分析，并将小孔检测的上限拓展至大约20阶。
对于光通讯等领域的发展而言，提高衍射分布中主亮斑的可识别度，有利于保障对涡旋光实施精准而快速的自动检测；扩大轨道角动量的检测适用范围，有利于增加实际应用中可选择的涡旋光范围。因此，如何进一步提高主亮斑的可识别度以及基于小孔检测的适用范围具有重要而现实的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测方法。相比现有的硬边小孔，本发明提高了主亮斑的可识别度，较大地拓展了利用小孔对涡旋光轨道角动量进行检测的识别能力和检测范围。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测方法，让涡旋光经过软边小孔形成远场的衍射分布，由衍射分布中主亮斑的数量可得到涡旋光的轨道角动量。
作为本发明的进一步改进，所述软边小孔，其内边缘具有一定程度的软化因子，对于衍射具有一定程度的收敛性，小孔的形状包括但不限于圆形、三角形、矩形、多边形和各种环形等。
作为本发明的进一步改进，所述软边因子可以根据具体情况进行调整和优化，以达到最佳的涡旋光检测效果。
本发明的有益效果是：
与常用的硬边小孔相比，软边小孔对于涡旋光的远场衍射具有一定程度的收敛性，能够提升衍射分布中最外围主亮斑对相邻次亮斑的相对强度，从而提高主亮斑的可识别度，有利于保障对涡旋光轨道角动量实施精准而快速的自动检测；
由于主亮斑可识别度的提高，从而在一定范围上，软边小孔能够检测出原本硬边小孔所不能检测的较高阶的涡旋光，因此扩大了基于小孔检测的适用范围，有利于增加在实际应用中的可选择的涡旋光范围；
对软化因子进行调整和优化，以达到最佳的检测效果，从而可进一步提高主亮斑的可识别度和涡旋光检测范围。
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的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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是本发明中携带不同轨道角动量的涡旋光分别经过软边和硬边小孔衍射后（以矩孔为例）的远场强度分布图；
图2是本发明中涡旋光分别经过软边和硬边小孔衍射后（以矩孔为例）远场强度分布中横向截取图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
采用小孔（例如矩孔、三角孔、圆孔、多边形孔和各种环形等等）作为透过光阑，当涡旋光透过小孔时形成远场的衍射分布，根据衍射分布中心相对明亮的主亮斑的数量可以得到涡旋光的轨道角动量。在较低阶拓扑荷条件下，衍射分布最外围的主亮斑与相邻次亮斑在归一化强度上的对比倍数较高，使之易于区分主、次亮斑，也即容易得到涡旋光的拓扑荷阶数，但随着拓扑荷阶数不断增加，主、次亮斑的强度对比值将不断降低，直至无法区分，此时基于硬边小孔的涡旋光检测能力便达到了上限。
采用软边小孔能够提高主亮斑的可识别度：
参图1和图2所示，假设一束波长为632.8 nm、光束直径0.5 mm的高斯型激光，经过带有涡旋型相位调制的空间光调制器后，光束会形成带有特定拓扑荷数（假设为n）的涡旋光，再使涡旋光分束并分别经过一个硬边和软边小孔（以边长0.5 mm的矩形孔为例）。上下方向和左右方向形成的衍射条纹叠加在一起时，干涉图上就会形成横竖排列的光点阵列。通过Matlab程序来模拟的硬边矩孔远场衍射结果如图1(b)所示，图中n表示涡旋光拓扑荷数，Soft代表软边小孔，Hard代表硬边小孔，实线箭头指向最外围主亮斑，虚线箭头指向相邻次亮斑。图2(b)为图1(b)中沿中间横向截取的光强分布曲线。由图2(b)可见，当以拓扑荷数n等于8阶为例时，硬边小孔的衍射分布中最外围主亮斑的归一化强度值为0.95，相邻次亮斑的归一化强度值约为0.36，两者的强度对比值达到2.64倍，此时主、次亮斑很容易被区分开来，通过识别中心点阵上每一排的亮点数量便可知涡旋光的拓扑荷数。
本发明通过将小孔的硬边改换为具有一定软化因子的软边（本例中软化因子值对应于一个14阶的超高斯函数），软边小孔对光束衍射具有一定程度的收敛性，能够提升远场衍射分布中主、次亮斑的强度对比值。软边矩孔的远场衍射模拟结果如图1(a)和图2(a)所示。由图中可见，当拓扑荷数n为8阶时，采用软边小孔得到的最外围主亮斑的归一化强度值为1.00，相邻次亮斑的归一化强度值约为0.29，主、次亮斑强度对比值为3.45倍，相比硬边小孔的2.64倍提高了31%，可识别度更高。从而模拟结果证明：与目前常用的硬边小孔相比，采用软边小孔能够提高涡旋光衍射分布中主亮斑的相对强度或者说可识别度。
采用软边小孔能够提高涡旋光的检测范围：
参图1和图2所示，在硬边小孔衍射和8阶拓扑荷数的条件下，最外围主亮斑和相邻次亮斑的强度对比值为2.64倍，当拓扑荷数增加至20阶时，最外围主亮斑的归一化强度值约为0.60，相邻次亮斑的约为0.44，此时主、次亮斑的强度对比值降低至仅1.36倍，由于难以区分识别主亮斑，此时硬边矩孔的检测范围便已到达极限，如图1(b5)中的衍射光斑所示。而在软边小孔衍射和20阶拓扑荷数的条件下，模拟得到的最外围主亮斑的归一化强度值约为0.66，相邻次亮斑的约为0.37，主、次亮斑的强度对比值为1.78倍，相比硬边小孔的1.36倍仍然是提高了31%，并且仍然能够将主亮斑识别出来，如图1(a5)中的衍射光斑所示。上述模拟结果表明：采用软边小孔能够识别硬边小孔所不能识别的20阶涡旋光束，因而能够扩展涡旋光束的检测范围。
采用优化的软边小孔能进一步提高涡旋光的可识别度和检测范围：
上述例子中采用的软化因子对应于一个14阶的超高斯函数，无论拓扑荷为8阶还是20阶，主、次亮斑的相对强度相比硬边小孔时均提高了约31%。该软化因子还可以进行优化，以进一步提高主亮斑的可识别度，得到最佳的涡旋光检测效果。
由以上技术方案可以看出，本发明公开的基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测方法能够扩展基于小孔的检测涡旋光拓扑荷数的可识别度和检测范围，对涡旋光在信息技术等领域的应用，尤其是为大容量高信道的光通讯技术开发提供了新的思路。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (3)
1.一种基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测方法，其特征在于：让涡旋光经过软边小孔形成远场的衍射分布，由衍射分布中主亮斑的数量可得到涡旋光的轨道角动量。
2.根据权利要求1所述的基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测方法，其特征在于：所述软边小孔，其内边缘具有一定程度的软化因子，小孔的形状包括但不限于圆形、三角形、矩形、多边形以及各种环形。
3.根据权利要求1所述的基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测方法，其特征在于：所述软边因子，可以根据具体情况进行调整和优化，以达到最佳的检测效果。
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