CN116430598A - 基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统 - Google Patents

基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统 Download PDF

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Abstract

基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统，属于量子调控技术领域，本发明为解决现有阵列光子轨道角动量光束的子光束之间相互重叠干涉的问题。本发明包括激光器、光束整形单元、偏振调控单元和量子态调控单元；光束整形单元，用于将激光器发生的激光光束进行空间滤波以及扩束，生成平行光束；偏振调控单元，用于将光束整形单元输出的平行光束进行偏振调控，生成水平偏振态的线偏振光束；量子态调控单元，用于将线偏振光束进行阵列光子轨道角动量调控，获得阵列光子轨道角动量光束，阵列中各子光束独立；利用本发明方法可以通过紧凑的光路产生具有独立子光束的阵列光子轨道角动量光束。

Description

基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统
技术领域
本发明涉及一种阵列光子轨道角动量光束的抗干扰调制技术，调制出相互不重叠的独立子光束，属于量子调控技术领域。
背景技术
光子轨道角动量光束是一种具有螺旋形相位结构的光场，目前在光通信、光学操作以及激光主动探测领域有广泛应用。
阵列光子轨道角动量光束可以用于阵列照明，实现二维阵列操控以及抗云雾三维激光成像。现有的阵列光子轨道角动量光束产生方法包括干涉法、螺旋相位空间滤波法、空心多模波导法等。上述方法产生的子光束之间相互重叠干涉，不利于需要分立点阵照明的应用。
因此，针对以上不足，需要提供一种阵列光子轨道角动量光束，阵列中各子光束相互独立、不重叠。
发明内容
针对现有阵列光子轨道角动量光束的子光束之间相互重叠干涉的问题，本发明提供一种基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统。
本发明所述基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统，包括激光器1、光束整形单元、偏振调控单元和量子态调控单元；
光束整形单元，用于将激光器1发生的激光光束进行空间滤波以及扩束，生成平行光束；
偏振调控单元，用于将光束整形单元输出的平行光束进行偏振调控，生成水平偏振态的线偏振光束；
量子态调控单元，用于将线偏振光束进行阵列光子轨道角动量调控，获得阵列光子轨道角动量光束，阵列中各子光束独立；
量子态调控单元包括空间光调制器7和计算机8量子态调控过程为：
计算机8通过控制空间光调制器7上加载的相位屏实现对入射激光量子态进行调控，所述相位屏复振幅透过率满足：
Figure BDA0004189027330000021
其中，T为复振幅透过率；rect(*)为矩形函数；
存在关系式
Figure BDA0004189027330000022
其中/>
Figure BDA0004189027330000023
表示任意相邻两个单位矢量，二者相互垂直，即空间光调制器上加载的相位屏任意相邻两个单位矢量相互垂直，a为/>
Figure BDA0004189027330000024
的模；
x,y为相位屏上各点的直角坐标系横纵坐标，exp(*)为e指数函数，i为虚数单位，l为相位屏的光子轨道角动量阶数，φ为相位屏的光子轨道角动量光场的极坐标系方位角；
c(n1,n2)为求和系数，根据
Figure BDA0004189027330000025
求取，其中n1为阵列光子轨道角动量的行系数，n2为阵列光子轨道角动量的列系数，都取整数；
δ(*)δ为delta函数。
优选地，光束整形单元包括短焦透镜2、小孔光阑3和长焦透镜4；
短焦透镜2的后焦面与长焦透镜4前焦面重合，且小孔光阑3位于重合的焦面上；激光光束经短焦透镜2聚焦于小孔光阑3的通光孔径处，透射光经长焦透镜4缩束成平行光束。
优选地，所述光束整形单元将入射激光扩束f2/f1倍。其中f1为短焦透镜焦距，f2为长焦透镜焦距。扩束后的激光以近似平面波照射空间光调制器7。
优选地，偏振调控单元包括线偏振片5和二分之一波片6；
线偏振片5将入射激光调制为线偏振光，然后二分之一波片6将入射线偏振光偏振方向调制为水平方向，生成水平偏振态的线偏振光。
优选地，所述二分之一波片6快轴方向与线偏振片5起偏方向的夹角等于二分之一波片6与快轴方向水平方向的夹角。
优选地，所述空间光调制器7为基于液晶分子各项异性的相位控制器，相位调控方向为水平方向。
本发明的有益效果：本发明系统通过空间光调制器加载的相位屏，可以调控获得子光束之间互不交叠、相互独立的阵列光子轨道角动量光束。这种光束可以很好的应用于需要分立点阵照明的领域。
本发明的有益效果还体现在可以灵活调控阵列光子轨道角动量光束的光子轨道角动量阶数，进而改变阵列光子轨道角动量光束光截面的相位分布及光强分布。
附图说明
图1是本发明所述基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统框图；
图2为阵列光子轨道角动量光束量子调控相位屏示意图；
图3为阵列光子轨道角动量光束光截面光强分布图；
图4为阵列光子轨道角动量光束光截面相位分布图。
1、激光器，2、短焦透镜，3、小孔光阑，4、长焦透镜，5、线偏振片，6、二分之一波片，7、空间光调制器，8计算机。
具体实施方式
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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统，包括激光器1、光束整形单元、偏振调控单元和量子态调控单元；
光束整形单元，用于将激光器1发生的激光光束进行空间滤波以及扩束，生成平行光束；
光束整形单元包括短焦透镜2、小孔光阑3和长焦透镜4；
短焦透镜2的后焦面与长焦透镜4前焦面重合，且小孔光阑3位于重合的焦面上；激光光束经短焦透镜2聚焦于小孔光阑3的通光孔径处，透射光含有空间频率较低的成分，透射光经长焦透镜4缩束成平行光束。
所述光束整形单元将入射激光扩束f2/f1倍。其中f1为短焦透镜焦距，f2为长焦透镜焦距。扩束后的激光以近似平面波照射空间光调制器7。
激光器1产生的激光光束经过光束整形单元变为发散角极小，光束界面电场振幅和相位分布均匀的近平行光束。
偏振调控单元，用于将光束整形单元输出的平行光束进行偏振调控，生成水平偏振态的线偏振光束；
偏振调控单元包括线偏振片5和二分之一波片6；
线偏振片5将入射激光调制为线偏振光，然后二分之一波片6将入射线偏振光偏振方向调制为水平方向，生成水平偏振态的线偏振光。
所述二分之一波片6快轴方向与线偏振片5起偏方向的夹角等于二分之一波片6与快轴方向水平方向的夹角。
由于量子调控过程中空间光调制器要求入射光束的偏振方向沿水平方向，所以通过线偏振片5和二分之一波片6的组合构成偏振调控单元。激光光束经过线偏振片5后变为线偏振光束，为了保证能量利用率，线偏振片的起偏方向设置为让透射光场强度最大的方向。由于该方向与水平方向有夹角，所以利用二分之一波片6将入射线偏振光的偏振方向旋转到水平方向。当二分之一波片6快轴方向与线偏振片5起偏方向的夹角等于二分之一波片6快轴方向与水平方向的夹角时，入射线偏振光的偏振方向被旋转到水平方向。
量子态调控单元，用于将线偏振光束进行阵列光子轨道角动量调控，获得阵列光子轨道角动量光束，阵列中各子光束独立；
量子态调控单元包括空间光调制器7和计算机8，所述空间光调制器7为基于液晶分子各项异性的相位控制器，相位调控方向为水平方向。
量子态调控过程为：
计算机8通过控制空间光调制器7上加载的相位屏实现对入射激光量子态进行调控，空间光调制器7通过控制各像素的光学厚度形成如图2所示的量子调控相位屏，所述相位屏复振幅透过率满足：
Figure BDA0004189027330000051
其中，T为复振幅透过率；rect(*)为矩形函数；
存在关系式
Figure BDA0004189027330000052
其中/>
Figure BDA0004189027330000053
表示任意相邻两个单位矢量，二者相互垂直，即空间光调制器上加载的相位屏任意相邻两个单位矢量相互垂直，a为/>
Figure BDA0004189027330000054
的模；
x,y为相位屏上各点的直角坐标系横纵坐标，exp(*)为e指数函数，i为虚数单位，l为相位屏的光子轨道角动量阶数，φ为相位屏的光子轨道角动量光场的极坐标系方位角；
c(n1,n2)为求和系数，根据
Figure BDA0004189027330000055
求取，其中n1为阵列光子轨道角动量的行系数，n2为阵列光子轨道角动量的列系数，都取整数；
δ(*)δ为delta函数。
相位屏复振幅透过率是一个基元函数在一个点阵上的周期排列，每一个基元函数都构成一个微形螺旋相位板，可以将入射光束调制为独立的光子轨道角动量光束。随着光场衍射距离增加，阵列光束逐渐发散，各子光束之间的间隔逐渐增大，互相分离。
下面给出一个具体实施例：
利用波长为532nm的激光器产生光斑半径约2mm的激光光束，经过焦距1cm的短焦透镜聚焦后由通光孔径10μm的小孔光阑滤除空间频率较高的成分，然后有焦距10cm的长焦透镜缩束获得光斑半径约2cm的近平行光束。
经过滤波以及扩束后的激光光束经过偏振片后变为线偏振光束，为了保证能量利用率，偏振片的起偏方向设置为让透射光场强度最大的方向，然后利用二分之一波片将入射线偏振光的偏振方向旋转到水平方向，二分之一波片快轴方向与偏振片起偏方向的夹角等于二分之一波片快轴方向与水平方向的夹角。
通过计算机控制空间光调制器上加载如图2所示的量子调控相位屏，其中a＝320μm，占空间光调制器40个像素；l＝1，产生1阶阵列光子轨道角动量。
偏振方向沿水平方向的近平行光束照射加载了量子调控相位屏的空间光调制器，出射光被调制为具有如图3所示光强分布和如图4所示相位分布的阵列光子轨道角动量光束。
从图3可看出，各子光束相互独立，没有相互交叠现象，克服了现有方法存在的子光束之间相互重叠干涉的缺陷。
本发明的有益效果还体现在可以灵活调控阵列光子轨道角动量光束的光子轨道角动量阶数，图2中各个光子轨道角动量调制单元表达式为lφ，图3中光场强度分布各单元光环半径随阶数变大而变大，随阶数变小而变小；图4中相位分布各单元相位图样表达式也为lφ，相应的相位分布也随阶数的变化而变化。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (6)

1.基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统，其特征在于，包括激光器(1)、光束整形单元、偏振调控单元和量子态调控单元；
光束整形单元，用于将激光器(1)发生的激光光束进行空间滤波以及扩束，生成平行光束；
偏振调控单元，用于将光束整形单元输出的平行光束进行偏振调控，生成水平偏振态的线偏振光束；
量子态调控单元，用于将线偏振光束进行阵列光子轨道角动量调控，获得阵列光子轨道角动量光束，阵列中各子光束独立；
量子态调控单元包括空间光调制器(7)和计算机(8)量子态调控过程为：
计算机(8)通过控制空间光调制器(7)上加载的相位屏实现对入射激光量子态进行调控，所述相位屏复振幅透过率满足：
Figure FDA0004189027320000011
其中，T为复振幅透过率；rect(*)为矩形函数；
存在关系式
Figure FDA0004189027320000012
其中/>
Figure FDA0004189027320000013
表示任意相邻两个单位矢量，二者相互垂直，即空间光调制器上加载的相位屏任意相邻两个单位矢量相互垂直，a为/>
Figure FDA0004189027320000014
的模；
x,y为相位屏上各点的直角坐标系横纵坐标，exp(*)为e指数函数，i为虚数单位，l为相位屏的光子轨道角动量阶数，φ为相位屏的光子轨道角动量光场的极坐标系方位角；
c(n1,n2)为求和系数，根据
Figure FDA0004189027320000015
求取，其中n1为阵列光子轨道角动量的行系数，n2为阵列光子轨道角动量的列系数，都取整数；
δ(*)δ为delta函数。
2.根据权利要求1所述基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统，其特征在于，光束整形单元包括短焦透镜(2)、小孔光阑(3)和长焦透镜(4)；
短焦透镜(2)的后焦面与长焦透镜(4)前焦面重合，且小孔光阑(3)位于重合的焦面上；激光光束经短焦透镜(2)聚焦于小孔光阑(3)的通光孔径处，透射光经长焦透镜(4)缩束成平行光束。
3.根据权利要求2所述基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统，其特征在于，所述光束整形单元将入射激光扩束f2/f1倍。其中f1为短焦透镜焦距，f2为长焦透镜焦距。扩束后的激光以近似平面波照射空间光调制器(7)。
4.根据权利要求1所述基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统，其特征在于，偏振调控单元包括线偏振片(5)和二分之一波片(6)；
线偏振片(5)将入射激光调制为线偏振光，然后二分之一波片(6)将入射线偏振光偏振方向调制为水平方向，生成水平偏振态的线偏振光。
5.根据权利要求4所述基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统，其特征在于，所述二分之一波片(6)快轴方向与线偏振片(5)起偏方向的夹角等于二分之一波片(6)与快轴方向水平方向的夹角。
6.根据权利要求1所述基于相位屏的阵列光子轨道角动量光束量子调控系统，其特征在于，所述空间光调制器(7)为基于液晶分子各项异性的相位控制器，相位调控方向为水平方向。
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