CN118091913A - 一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心光束方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，具体为一种使用带轨道角动量的异常空心光，产生高精度准直空心激光束方法。该方法使用了带轨道角动量的异常空心光束，而不是单纯由半导体激光器所产生的激光光束，来作为源平面光场，具有鲜明地创新性。本发明采用的技术方案可概括为：由螺旋相位板，空间光调制器等方法产生的带轨道角动量的空心光束经过可调节参数卡塞格伦天线后，转化成了一种高精度准直空心光束，该光束具有微弧度级的小的发散角(最高精度为0.228微弧度)，和较高的传输效率。

Description

一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心光束 方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体为一种使用带轨道角动量的异常空心光，产生高精度准直空心激光束方法。

背景技术

在现代科技的驱动下，光通信技术正在以前所未有的速度发展。其中，空心光束作为一种新兴的技术手段，因其具有暗斑尺寸小、无加热效应、传播不变性、桶状强度分布和传输过程中“自焦距”等物理特性，在生物技术、材料科学、原子陷阱、同位素分离、粒子波导乃至激光测距、光信息通信、扫描成像等领域中发挥着巨大潜能并具有广阔的应用前景。

空心光束，顾名思义，就是中心光强为零的光束，其发散角微小且方向性强，因而具有较高的军事保密性。然而，由于其在产生和传输过程中的复杂性，空心光束的研究和应用一直是一个挑战。早在上世纪九十年代，科学家们就开始了对空心光束的研究和探索。例如，Tamm等人利用横模选择法采用单纵模激光器产生了空心光束，而Yin等人则通过几何方法获得了一束宽度半径比为且径向强度分布具有双高斯特性的准直型空心光束。

随着技术的发展，空心光束的应用领域也在不断拓宽。2010年，马亮和吴逢铁运用几何原理和波导理论分析计算了无衍射光经过环形障碍物后的重建过程，成功地得到了中心光强为零的局域空心光束。这一发现极大地改善了光通信天线次镜中心部分反射造成的能量损耗，从而提高了光学天线的发射精度和传输效率。

然而，现有的空心光束产生方法仍存在一些不足，如难以解决天线次镜遮挡问题，无法减小出射光束的发散角等。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种产生高精度准直空心光束的新方法，将螺旋相位板，空间光调制器等方法产生的带轨道角动量的空心光束，转换成高精度准直空心光束，有效解决天线次镜遮挡问题，减小出射光束发散角和提高天线传输效率。

本发明采用的技术方案可概括为：由螺旋相位板，空间光调制器等方法产生的带轨道角动量的空心光束经过可调节参数卡塞格伦天线后，转化成了一种高精度准直空心光束，该光束具有微弧度级的小的发散角，和较高的传输效率。

本发明中的卡塞格伦天线由两个旋转抛物面组成，主镜旋转抛物面的右焦点与次镜旋转抛物面的右焦点重合。

本发明中采用的光学系统设计方法是基于三维矢量反射定律和标量衍射理论，建立三维模型和三维光线，利用MATLAB程序对光学系统结构和光线仿真和优化，对光学系统中的光线在自由空间传输进行三维追迹，得到各种光学参数和仿真图。具体包括：1)产生高精度准直空心光方案图；2)卡塞格伦天线结构图；3)带有轨道角动量的异常空心光在天线中的传播示意图；4)传播距离为1m时，光场强度和相位随拓扑荷数变化图；5)纵向光场随距离和拓扑荷数变化图；6)发散角随传播距离变曲线图；7)传输效率随距离和拓扑荷数变化曲线图。

附图说明

图1为产生高精度准直空心光方案图

图2为卡塞格伦天线结构图

图3为带有轨道角动量的异常空心光在天线中的传播示意图

图4为传播距离为1m时，光场强度和相位随拓扑荷数变化图

图5为纵向光场随距离和拓扑荷数变化图

图6为发散角随传播距离变曲线图

图7为传输效率随距离和拓扑荷数变化曲线图

实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述和说明本发明。

图1所示，产生高精度准直空心光方案图。在源平面光场处，带有轨道角动量的异常空心光束，通过传统的卡塞格伦天线，被转化成高精度准直空心光。该光束具有高传输效率和微弧度级的发散角优势。

图2所示，为卡塞格伦天线结构图。传统卡塞格伦天线由两个共焦的旋转抛物面组成，主镜和次镜均为旋转抛物面并且焦点在F处重合。较小平行空心光束入射到卡塞格伦天线上，会以较大的空心光束出射。

图3所示，为本发明所述的带有轨道角动量的异常空心光在天线中的传播示意图。直径为3mm左右的带有轨道角动量的异常空心光入射到卡塞格伦天线中，在接受面上形成了一个较大的空心光束，该空心光束具有发散角极小，微弧度级的发散角性质，并且能量消减较小。

图4所示，为本发明产生的光束传播距离为1m时，光场强度和相位随拓扑荷数变化图。显然随着光束拓扑电荷的增加，传播到z＝1m的光束的内径和外径也会增加，具有不同拓扑电荷的光束在传播过程中，中心相位会发生一定程度的错位。

图5所示，为本发明产生的光束纵向光场随距离和拓扑荷数变化图。光束通过卡塞格伦天线后在自由空间中的传播轨迹与射线追踪的结果不同，这是由于衍射效应的存在。在自由空间传播过程中，随着拓扑电荷的增加，光束的强度衰减和加宽显著增加。拓扑电荷越大，光束通过卡塞格伦天线后在自由空间中传播的空心半径越大，在8000米的传播距离内波束稳定性越强。

图6所示，为本发明产生的光束发散角随传播距离变化曲线图，随着拓扑电荷的增加，光束的发散角逐渐变小。但随着拓扑电荷数量的增加，能量最大值急剧下降。在考虑发散角和能量的因素后，对于拓扑电荷为3的光束，当它传播到8551m时，发散角减小到0.228μrad，并且光束在传播过程中具有很强的保持平行的能力。

图7所示，为本发明产生的光束传输效率随距离和拓扑荷数变化曲线图，拓扑电荷较小的光束的传输效率较高。随着拓扑电荷的增加，光斑的半径变大，主镜上接收的能量减少，导致传输效率降低。在考虑发散角和能量的因素后，低拓扑电荷的光束具有较高的传播效率，但发散角也较高。具有高拓扑电荷的光束传播效率低，能量衰减快。当波长较小时，M＝3的波束在863nm的波长下的传输效率可达89.33％，可以显著提高传统天线的传输效率。

本发明中采用的产生高精度准直空心光束方法是基于三维矢量反射定理和标量衍射理论，建立了三维矢量光线模型，使用MATLAB程序对光线在光学系统中的空间传输进行三维追迹，得到各种光学参数和仿真图，如各出射光线的空间发散角，以及光束横截面的能量分布。具体步骤为1)建立卡塞格伦天线主次镜面的三维参数方程，根据实际需求确定主次镜反射面的结构参数。利用MATLAB程序绘制各曲面参数方程所对应的三维反射面；2)根据入射空心光束的源平面方程，绘制入射空心光束，然后将卡塞格伦天线近似为两个球面反射镜所组成光学系统，列出光学系统传输矩阵，作用在空心光束上，和空心光束的方程联立，解出接收面上的空心光束能量分布，最后计算并绘制出带有轨道角动量的异常空心光在天线中的传播示意图；传播距离为1m时，光场强度和相位随拓扑荷数变化图；纵向光场随距离和拓扑荷数变化图；发散角随传播距离变曲线图；传输效率随距离和拓扑荷数变化曲线图。

Claims (5)

1.一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心光束光学方法，其特征在于适用于螺旋相位板，空间光调制器等方法产生的带轨道角动量的光束，该方法所用的系统为结构简单，易于加工的传统的卡塞格伦天线，该天线由两个旋转抛物面组成，该方法能够有效解决天线次镜遮挡问题，减小出射光束发散角和提高天线传输效率。

2.根据权利要求1所述的一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心束光学方法，其特征在于所述源平面光场使用的是带有轨道角动量的异常空心光束，由特定的函数决定，而不是单纯由半导体激光器产生的激光光束。

3.根据权利要求1所述的一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心束光学方法，其特征在于所述空心光场在传播过程中，遵循标量衍射理论。

4.根据权利要求1所述的一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心束光学方法，其特征在于所述卡塞格伦天线系统中，主镜旋转抛物面的右焦点与次镜旋转抛物面的右焦点重合，带轨道角动量的异常空心光束经过主次镜后被准直为高精度准直的空心光束。

5.根据权利要求1所述的一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心束光学方法，其特征在于所述空心光束转化方法是基于三维矢量反射定律，建立三维模型和三维光线，利用MATLAB程序对光学系统结构和光线仿真和优化，对光学系统中的光线在自由空间传输进行三维追迹，得到各种光学参数和仿真图。