CN114172570B

CN114172570B - 一种涡旋光束轨道角动量高阶模式的检测系统及其方法

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Publication number: CN114172570B
Application number: CN202111431798.1A
Authority: CN
Inventors: 杨春勇; 刘锐; 倪文军; 石铭; 唐红文; 侯金; 曹振洲; 陈少平
Original assignee: South Central University for Nationalities
Current assignee: South Central Minzu University
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2041-11-29
Also published as: CN114172570A

Abstract

本发明公开了一种涡旋光束轨道角动量高阶模式的检测系统及其方法，涉及光通信技术领域。本系统的结构是：第1激光器、扩束准直器、第1偏振分束器和第1空间光调制器依次交互，得到待测涡旋光束；第2激光器和第2偏振分束器前后交互，得到第2辅助高斯光束；第1空间光调制器和第2偏振分束器分别与分束器交互，得到待测复合光束；分束器、第2空间光调制器、透镜和接收器依次交互，检测待测复合光束，依次得到第1远场衍射强度模式和第2远场衍射强度模式；第1控制器控制第1空间光调制器；第2控制器控制第2空间光调制器和接收器，并显示检测结果。本发明可以更清楚地识别螺旋条纹，检测更高阶的OAM模式；结构简单，易于实现。

Description

一种涡旋光束轨道角动量高阶模式的检测系统及其方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种涡旋光束轨道角动量高阶模式的检测系统及其方法。

背景技术

涡旋光束(Vortex Beams)是一种波前沿传播方向具有螺旋形式的光束，该光束具有螺旋相位因子

携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)，每个光子携带的轨道角动量为lh，

其中为方向角，l为拓扑荷值或轨道角动量的阶数，h为OAM的模态值(也称模式值或本征态值)，螺旋型波前和相位奇点是它的两个主要特征。

随着光通信技术的飞速发展和复用技术的广泛应用，人们对信道容量和传输速率的要求越来越高。OAM光通信凭借其频谱利用率高、安全可靠性高和传输速率高的优势被越来越多的研究人员关注，理论上来说l的取值是无限的，可以极大地提高通信容量和通信速率。高阶涡旋光束在各个研究领域有广泛的研究，如光学镊子和原子操作、光学成像、光通信和量子信息等，在这些大多数应用中对于测量OAM的拓扑荷(Topological Charges，TC)极其重要。截至目前，经检索测量OAM模式的方法已经有很多，比如一开始用参考波与被测光束进行干涉通过观察条纹来确定OAM状态，这类方法检测装置较复杂、实现困难且只能测量低阶模式；随后研究人员发现可利用各种缝隙和孔径来测量OAM的状态，其中包括单缝、双缝、动态双缝和三角形孔径等，这类方法初步解决了上述存在的问题，但是依然实现起来较繁琐，而且测量高阶OAM模式的效果较差；还有利用坐标变换、模式转换器、凸透镜和柱形透镜等方法，这类方法测量高阶OAM模式有一定的效果，但是装置复杂、操作难度较大，且大多只能测量一个符号的高阶OAM模式,具有一定的局限性。总之，这些方法都不能简单和灵活地测量高阶OAM的拓扑荷。

近几年，北京理工大学高春清团队开发了一种逐渐变化的周期光栅，可以通过观察远场衍射强度模式中类似于赫米特-高斯(Hermite-Gaussian，HG)样强度模式来检测OAM的拓扑荷，这种方法简单且高度灵活。随后，各种类型光栅被提出用来检测OAM模式，如环形光栅、双曲型光栅等。然而，这些方法基本都需要通过调节光栅的偏轴参数和滤光器才能达到较好的识别效果；另外，在检测高阶OAM的状态时，由于得到的条纹为非均匀的条形状，两边的光强分布高于中间，两边的条纹较宽，中间的条纹较细，若OAM的拓扑荷值过高则会导致超出接收器的接收范围，并且看不清楚条纹。随着信息时代的高速发展，更高阶OAM模式需要被识别，为此需要一种能够解决上述问题的实用型系统及其方法。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种涡旋光束轨道角动量高阶模式的检测系统及其方法，简单而又高效地实现更高阶OAM模式的检测。

本发明的目的是这样实现的：

本发明将高斯光束作为辅助光束和待检测涡旋光束复合，然后待检测复合光束入射到设计的环形相位光栅中心或中心附近产生衍射，通过接收器接收远场衍射强度模式，在控制器上观察远场衍射强度模式中螺旋条纹的数量和旋转方向即可识别OAM模式，达到检测目的。

具体地说：

一、涡旋光束轨道角动量高阶模式的检测系统(简称系统)

本系统包括高斯光源、调制装置、产生待测涡旋光束装置、产生辅助高斯光束装置、检测装置和接收装置；

高斯光源选用第1激光器，产生波长为λ₁的高斯光束；

调制装置包括扩束准直器和第1偏振分束器；

产生待测涡旋光束装置包括第1空间光调制器和第1控制器；

产生辅助高斯光束装置包括第2激光器和第2偏振分束器；

检测装置包括分束器、第2空间光调制器和第2控制器；

接收装置包括透镜和接收器；

其交互关系是：

第1激光器、扩束准直器、第1偏振分束器和第1空间光调制器依次交互，得到待测涡旋光束；

第2激光器和第2偏振分束器前后交互，得到第2辅助高斯光束；

第1空间光调制器和第2偏振分束器分别与分束器交互，得到待测复合光束；

分束器、第2空间光调制器、透镜和接收器依次交互，检测待测复合光束，依次得到第1远场衍射强度模式和第2远场衍射强度模式；

第1控制器控制第1空间光调制器；

第2控制器控制第2空间光调制器和接收器，并显示检测结果。

二、涡旋光束轨道角动量高阶模式的检测方法(简称方法)

本方法包括下列步骤：

①在发射端，第1激光器发出波长为λ₁的第1高斯光束经过扩束准直器后得到扩束准直的第2高斯光束，通过第1偏振分束器得到第3高斯光束，然后入射到加载有全息图的第1空间光调制器上产生待测涡旋光束，并垂直入射到分束器；同时第2激光器发出波长为λ₂(λ₁≠λ₂)的第1辅助高斯光束作为待测涡旋光束的辅助光束，通过第2偏振分束器后得到第2辅助高斯光束并垂直入射到分束器；

②在检测端，待测涡旋光束和第2辅助高斯光束通过分束器复合得到待测复合光束，这里的待测复合光束因两束光的频率有差异不会发生干涉，然后入射到加载有环形相位光栅的第2空间光调制器上产生衍射，其中产生环形相位光栅的过程由第2控制器设计光栅函数完成；

③在接收端，通过检测端得到的第1远场衍射强度模式经过透镜聚焦为第2远场衍射强度模式，然后由接收器接收，通过在第2控制器上观察其远场衍射强度模式中均匀分布的螺旋形条纹来识别OAM模式，其中条纹的数量和旋转方向分别代表OAM拓扑荷的大小和符号。

与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：

①本检测系统不需要加入滤光器去调节识别效果，降低了系统复杂性和操作难度性；

②待测光束是入射到设计的环形相位光栅中心或中心附近，不需要调节光栅的偏轴参数，降低了调试复杂性；

③该方法改变了以往条纹的条形状，变为螺旋形的条纹，使得在检测OAM的高阶模式时接收器更容易接收；

④该方法改变了以往条纹的粗细分布和光强分布的非均匀状，变为粗细分布和光强分布均匀的螺旋状条纹，可以更清楚地识别条纹，检测更高阶的OAM模式；

⑤本检测系统的结构简单，易于实现。

⑥适用于光学镊子和原子操作、光学成像、光通信和量子信息领域中检测更高阶的OAM模式。

附图说明

图1是本系统的结构方框图；

图2是本系统的结构光路图；

图3是由本方法所设计的环形相位光栅图；

图4是由本方法所得到的螺旋条纹示意图。

图中：

10—高斯光源，

11—第1激光器；

20—调制装置，

21—扩束准直器，

22—第1偏振分束器；

30—产生待测涡旋光束装置，

31—第1空间光调制器，

32—第1控制器；

40—产生辅助高斯光束装置，

41—第2激光器，

42—第2偏振分束器；

50—检测装置，

51—分束器，

52—第2空间光调制器，

53—第2控制器；

60—接收装置，

61—透镜，

62—接收器。

A—第1高斯光束；

B—第2高斯光束；

C1—第3高斯光束；

C2—第1辅助高斯光束；

D1—待测涡旋光束；

D2—第2辅助高斯光束；

E—待测复合光束；

E1—第1远场衍射强度模式；

F—第2远场衍射强度模式。

英译汉

1、Vortex Beams：涡旋光束；

2、OAM：全称Orbital Angular Momentum，轨道角动量；

3、Topological Charges：拓扑荷；

4、Hermite-Gaussian：赫米特-高斯。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例详细说明。

一、检测系统

1、总体

如图1、2，本系统包括高斯光源10、调制装置20、产生待测涡旋光束装置30、产生辅助高斯光束装置40、检测装置50和接收装置60；

高斯光源10选用第1激光器11，产生波长为1550nm的第1高斯光束A；

调制装置20包括扩束准直器21和第1偏振分束器22；

产生待测涡旋光束装置30包括第1空间光调制器31和第1控制器32；

产生辅助高斯光束装置40包括第2激光器41和第2偏振分束器42；

检测装置50包括分束器51、第2空间光调制器52和第2控制器53；

接收装置60包括透镜61、接收器62和第2控制器53；

其交互关系是：

第1激光器11、扩束准直器21、第1偏振分束器22和第1空间光调制器31依次交互，得到待测涡旋光束D1；

第2激光器41和第2偏振分束器42前后交互，得到第2辅助高斯光束D2；

第1空间光调制器31和第2偏振分束器42分别与分束器51交互，得到待测复合光束E；

分束器51、第2空间光调制器52、透镜61和接收器62依次交互，检测待测复合光束E，依次得到第1远场衍射强度模式E1和第2远场衍射强度模式F；

第1控制器32控制第1空间光调制器31；

第2控制器53控制第2空间光调制器52和接收器62，并显示检测结果。

本系统不需要加入滤光器和调节光栅的偏轴参数，降低了系统复杂性和操作难度性。通过本系统得到的远场衍射强度模式表现为光强分布和粗细分布均匀的螺旋形条纹，可以更好地让接收器62接收高阶OAM模式，并且可以更清楚地识别条纹，有利于进一步提高通信容量和通信速率，并且在需要识别更高阶OAM模式的光通信等研究领域得到应用。

2、功能装置

1)高斯光源10

如图1、2，选用第1激光器11，产生波长为1550nm的第1高斯光束A。

2)调制装置20

如图1、2，调制装置20包括扩束准直器21和第1偏振分束器22。

其交互关系是：

第1激光器11、扩束准直器21、第1偏振分束器22和第1空间光调制器31依次交互，得到待测复合光束E。

其工作机理是：

第1激光器11发出波长为1550nm的第1高斯光束A；由于激光器制备的光束具有一定的发散角，第1高斯光束A需要经过扩束准直器21来增大光束的束腰半径，并且减小其发散角，得到扩束准直后的第2高斯光束B；因第1空间光调制器31只能调制P偏振的光束，第2高斯光束B经过第1偏振分束器22分别得到相互垂直传播的P偏振的第3高斯光束C1和S偏振高斯光束，这里用透射过P偏振的第3高斯光束C1来产生涡旋光束。

功能部件：

(1)第1激光器11是一种产生高斯光束的光源；

其功能是发出波长为1550nm的第1高斯光束A。

(2)扩束准直器21由两个透镜组成，是一种能够改变高斯光束的束腰半径和发散角的光学组合器件；

其功能是将第1高斯光束A的束腰半径增大，发散角减小，得到扩束准直后的第2高斯光束B。

(3)第1偏振分束器22是一种能够将入射光束的P偏振和S偏振垂直分离的光学器件；

其功能是得到P偏振的第3高斯光束C1，并入射到第1空间光调制器31上。

3)产生待测涡旋光束装置30

如图1、2，产生待测涡旋光束装置30包括第1空间光调制器31和控制器32。

其交互关系是：

第1空间光调制器31和第1控制器32交互；第1空间光调制器31和分束器51交互。

其工作机理是：

P偏振的第3高斯光束C1入射到加载有全息图的第1空间光调制器31上进行相位调制，通过叠加螺旋相位因子

产生待测涡旋光束D1，并垂直入射到分束器51。

功能部件：

(1)第1空间光调制器31是一种通过控制液晶分子上的电压来调制光场相位、偏振和强度的光学器件；

其功能是通过在其上面加载全息图经调制后将入射的P偏振的第3高斯光束C1附加上螺旋相位因子

产生待测涡旋光束D1。

(2)第1控制器32是计算机或一定规模的集成电路；

其功能是将全息图加载到第1空间光调制器31上。

4)产生辅助高斯光束装置40

如图1、2，产生辅助高斯光束装置40包括第2激光器41和第2偏振分束器42。

其交互关系是：

第2激光器41、第2偏振分束器42和分束器51依次交互。

其工作机理是：

如图1、2，第2激光器41发出波长为1570nm的第1辅助高斯光束C2，通过第2偏振分束器42得到P偏振的第2辅助高斯光束D2，并垂直入射到分束器51。

功能部件：

(1)第2激光器41是一种产生高斯光束的光源；

其功能是发出波长为1570nm的第1辅助高斯光束C2作为待测涡旋光束D1的辅助光束。

(2)第2偏振分束器42是一种能够将入射光束的P偏振和S偏振垂直分离的光学器件；

其功能是得到P偏振的第2辅助高斯光束D2，并垂直入射到分束器51。

5)检测装置50

如图1、2，检测装置50包括分束器51、第2空间光调制器52和第2控制器53。

其交互关系是：

分束器51和第2空间光调制器52前后交互，第2控制器53控制第2空间光调制器52，将待测复合光束E调制为第1远场衍射强度模式E1。

其工作机理是：

如图1、2，待测涡旋光束D1和第2辅助高斯光束D2入射到分束器51成为复合P偏振的待测复合光束E，然后入射到加载有设计的环形相位光栅的第2空间光调制器52上产生衍射，得到远场衍射强度模式E1，其中产生环形相位光栅的过程由第2控制器53设计光栅函数完成。

功能部件：

(1)分束器51是一种将两束传播方向互相垂直的入射光复合成为一束光的光学元件；

其功能是将待测涡旋光束D1和P偏振的第2辅助高斯光束D2复合成待测复合光束E。

(2)第2空间光调制器52是一种通过控制液晶分子上的电压来调制光场相位、偏振和强度的光学器件；

其功能是待检复合光束E入射到其上面加载的环形相位光栅中心或中心附近后产生衍射，得到远场衍射强度模式E1。

(3)第2控制器53是计算机或一定规模的集成电路；

其功能是将设计的环形相位光栅加载到第2空间光调制器31上，其中设计的环形相位光栅如图3所示。

6)接收装置60

如图1、2，接收装置60包括透镜61和接收器62。

其交互关系是：

透镜61和接收器62前后交互，接收器62受第2控制器53控制。

其工作机理是：

如图1、2，第1远场衍射强度模式E1经过透镜61聚焦为第2远场衍射强度模式F，最后由接收器62接收并进行光电信号转换，通过第2空间光调制器52和接收器62分别位于透镜61的两个焦点处。

功能部件：

(1)透镜61是一种一面为凸面一面为平面的平凸透镜，具有扩束、成像、光束准直和聚焦准直等作用；

其功能是将第1远场衍射强度模式E1汇聚为第2远场衍射强度模式F集中于像方焦面上的接收器62，使其更容易的接收。

(2)接收器62是一种光电电荷转换器；

其功能是接收第2远场衍射强度模式F，将光信号转换为电信号，以便在第2控制器53上显示。

(3)第2控制器53是计算机或一定规模的集成电路；

其功能是将接收到的远场衍射强度模式图在其上面显示，通过观察远场衍射强度模式中的条纹识别待测涡旋光束D1的OAM模式。

二、方法

①在发射端，第1激光器11发出波长为1550nm的第1高斯光束A经过扩束准直器21后得到扩束准直的第2高斯光束B，通过第1偏振分束器22得到P偏振的第3高斯光束C1，然后入射到加载有全息图的第1空间光调制器31上产生待测涡旋光束D1，并垂直入射到分束器51；同时第2激光器41发出波长为1570nm的第1辅助高斯光束C2作为待测涡旋光束D1的辅助光束，通过第2偏振分束器42后得到P偏振的第2辅助高斯光束D2并垂直入射到分束器51；

②在检测端，待测涡旋光束D1和第2辅助高斯光束D2通过分束器51复合得到待测复合光束E，这里的待测复合光束E因两束光的频率有差异不会发生干涉，然后入射到加载有环形相位光栅的第2空间光调制器52上产生衍射，其中产生环形相位光栅的过程由第2控制器53设计光栅函数完成；

③在接收端，通过检测端得到的第1远场衍射强度模式E1经过透镜61聚焦为第2远场衍射强度模式F，然后由接收器62接收，通过在第2控制器53上观察其远场衍射强度模式中均匀分布的螺旋形条纹来识别OAM模式，其中条纹的数量和旋转方向分别代表OAM拓扑荷的大小和符号。

所述的步骤②中的第2控制器53设计光栅函数产生环形相位光栅：由环形相位光栅函数t(r)＝exp(i2πr/a)得到，其中r是径向坐标，a是光栅周期。

三、检测结果

如图4所示为发明得到的检测结果示意图，这里的L＝±20，表现为光强分布和粗细分布的螺旋形条纹，通过检测结果可以看出，接收器将更方便地接收高阶OAM模式，而且得到的螺旋形条纹分布较清晰，从而可以识别更高阶的OAM模式。

Claims

1.一种涡旋光束轨道角动量高阶模式的检测系统，其特征在于：

包括高斯光源(10)、调制装置(20)、产生待测涡旋光束装置(30)、产生辅助高斯光束装置(40)、检测装置(50)和接收装置(60)；

高斯光源(10)选用第1激光器(11)，产生波长为λ₁的第1高斯光束(A)；

调制装置(20)包括扩束准直器(21)和第1偏振分束器(22)；

产生待测涡旋光束装置(30)包括第1空间光调制器(31)和第1控制器(32)；

产生辅助高斯光束装置(40)包括第2激光器(41)和第2偏振分束器(42)；

检测装置(50)包括分束器(51)、第2空间光调制器(52)和第2控制器(53)；

接收装置(60)包括透镜(61)和接收器(62)；

其连通关系是：

第1激光器(11)、扩束准直器(21)、第1偏振分束器(22)和第1空间光调制器(31)依次连通，得到待测涡旋光束(D1)；

第2激光器(41)和第2偏振分束器(42)前后连通，得到第2辅助高斯光束(D2)；

第1空间光调制器(31)和第2偏振分束器(42)分别与分束器(51)连通，得到待测复合光束(E)；

分束器(51)、第2空间光调制器(52)、透镜(61)和接收器(62)依次连通，检测待测复合光束(E)，依次得到第1远场衍射强度模式(E1)和第2远场衍射强度模式(F)；

第1控制器(32)控制第1空间光调制器(31)；

第2控制器(53)控制第2空间光调制器(52)和接收器(62)，并显示检测结果。

2.按权利要求1所述的涡旋光束轨道角动量高阶模式的检测系统，其特征在于：

第1激光器(11)是一种能产生高斯光束的光源，发出波长为λ₁的第1高斯光束(A)；

扩束准直器(21)由两个透镜组成，是一种能够改变高斯光束的束腰半径和发散角的光学组合器件，将第1高斯光束(A)的束腰半径增大，发散角减小，得到扩束准直后的第2高斯光束(B)；

第1偏振分束器(22)是一种能够将入射光束的P偏振和S偏振垂直分离的光学器件，得到P偏振的第3高斯光束(C1)，并入射到第1空间光调制器(31)；

第1空间光调制器(31)是一种通过控制液晶分子上的电压来调制光场相位、偏振和强度的光学器件，通过在其上面加载全息图经调制后将入射的P偏振的第3高斯光束(C1)附加上螺旋相位因子

产生待测涡旋光束(D1)；

第1控制器(32)是计算机或一定规模的集成电路，将全息图加载到第1空间光调制器(31)；

第2激光器(41)是一种产生高斯光束的光源，发出波长为λ₂的第1辅助高斯光束(C2)作为待测涡旋光束(D1)的辅助光束，λ₁≠λ₂；

第2偏振分束器(42)是一种能够将入射光束的P偏振和S偏振垂直分离的光学器件，得到P偏振的第2辅助高斯光束(D2)，并垂直入射到分束器(51)；

分束器(51)是一种将两束传播方向互相垂直的入射光复合成为一束光的光学元件，将待测涡旋光束(D1)和P偏振的第2辅助高斯光束(D2)复合成待测复合光束(E)；

第2空间光调制器(52)是一种通过控制液晶分子上的电压来调制光场相位、偏振和强度的光学器件，待检复合光束(E)入射到其上面加载的环形相位光栅中心或中心附近后产生衍射，得到远场衍射强度模式(E1)；

第2控制器(53)是计算机或一定规模的集成电路，是将设计的环形相位光栅加载到第2空间光调制器(52)；

透镜(61)是一种一面为凸面一面为平面的平凸透镜，具有扩束、成像、光束准直、聚焦准直的作用，是将第1远场衍射强度模式(E1)汇聚为第2远场衍射强度模式(F)集中于像方焦面上的接收器(62)，使其更容易的接收；

接收器(62)是一种光电电荷转换器，是接收第2远场衍射强度模式(F)，将光信号转换为电信号，以便在第2控制器(53)上显示；

第2控制器(53)是计算机或一定规模的集成电路，是将接收到的远场衍射强度模式图在其上面显示，通过观察远场衍射强度模式中的条纹识别待测涡旋光束(D1)的OAM模式。

3.基于权利要求1或2所述检测系统的检测方法，其特征在于：

①在发射端，第1激光器(11)发出波长为λ₁的第1高斯光束(A)经过扩束准直器(21)后得到扩束准直的第2高斯光束(B)，通过第1偏振分束器(22)得到第3高斯光束(C1)，然后入射到加载有全息图的第1空间光调制器(31)上产生待测涡旋光束(D1)，并垂直入射到分束器(51)；同时第2激光器(41)发出波长为λ₂(λ₁≠λ₂)的第1辅助高斯光束(C2)作为待测涡旋光束(D1)的辅助光束，通过第2偏振分束器(42)后得到第2辅助高斯光束(D2)并垂直入射到分束器(51)；

②在检测端，待测涡旋光束(D1)和第2辅助高斯光束(D2)通过分束器(51)复合得到待测复合光束(E)，这里的待测复合光束(E)因两束光的频率有差异不会发生干涉，然后入射到加载有环形相位光栅的第2空间光调制器(52)上产生衍射，其中产生环形相位光栅的过程由第2控制器(53)设计光栅函数完成；

③在接收端，通过检测端得到的第1远场衍射强度模式(E1)经过透镜(61)聚焦为第2远场衍射强度模式(F)，然后由接收器(62)接收，通过在第2控制器(53)上观察其远场衍射强度模式中均匀分布的螺旋形条纹来识别OAM模式，其中条纹的数量和旋转方向分别代表OAM拓扑荷的大小和符号。

4.按权利要求3所述的检测方法，其特征在于：

所述的步骤②中的第2控制器(53)设计光栅函数产生环形相位光栅：由环形相位光栅函数t(r)＝exp(i2πr/a)得到，其中r是径向坐标，a是光栅周期。