本发明专利技术公开了基于法布里‑珀罗干涉的轨道角动量态提取方法和系统，通过对复用轨道角动量态进行类似法布里‑珀罗干涉的操作，使得不同本征态的干涉峰在方位角度上相互独立的区分出来。因而，只需要调整相应的方位角度，就能一次性地提取出高纯度的轨道角动量本征态。本发明专利技术一方面能够大幅提高干涉谱的角分辨率，保证提取的精度和空间结构的完整，一方面提取系统简单，不需要复杂的级联结构，对现有的光通信技术具有很好的兼容性和适用性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种从复用轨道角动量态中提取某个本征态的方法和系统，属于光学及无线通信的
技术介绍
随着通信业务量的不断增长，大容量的通信方案成为了近期研究的热点。人们可以通过调制独立可控的物理量(如光子的强度、相位、频率和偏振)来实现信号空间纬度的扩展，增加光通信系统的吞吐量。角动量正是这样的一个物理量。1989年，Grynberg等人指出角动量又可分为自旋角动量(Spin Angular Momentum,SAM)和轨道角动量(Orbit Angular Momentum,OAM)，其中自旋角动量与光子的极化特性有关，轨道角动量与光子的空间分布有关。1992年，Allen等人证实在包含exp(ilθ)相位因子的光束中，每个光子具有的轨道角动量，其中l为拓扑荷(Topological Charge,TC)。进一步的，Allen等人指出拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian beam,LG)光是最典型的携带轨道角动量的光束。由于轨道角动量态的l取值可从负无穷至正无穷的任意整数值，并且不同l值的轨道角动量态之间相互正交，因此轨道角动量可作为一种新型的自由度，极大地提升通信系统的传输速率和频带利用率。随着轨道角动量在自由空间光通信系统中的广泛应用，轨道角动量态的提取方法(包括检测和分离)也逐渐被人们关注。1994年，Beijersbergen等人最早使用螺旋相位板(Spiral Phase Plate,SPP)来产生和检测轨道角动量态光束，这种方法概念简单，但是要求纳米量级的精确螺旋面，因此在制作工艺上有一定的难度，并且在实际操作中每个OAM态光束的产生和检测都需对应一组特定的SPP，使得整个系统不具备良好的灵活性。随着空间光调制器(Spatial Light modulator,SLM)的应用，计算全息图成为了产生和检测轨道角动量态的常用方法，与传统全息图的产生方式相比，空间光调制器能够更加快捷地实现轨道角动量本征态的产生和检测，但其价格十分昂贵。2002年，Jonathan Leach等人提出了一种基于马赫-曾德尔干涉仪的分离方法，通过在两个干涉臂中加入道威棱镜来控制不同本征态光束的相长干涉和相消干涉，最终实现复用轨道角动量态光束的分离。该方法虽然在理论上有着100％的分离效率，但是在工程实现上有着一定的难度，需要通过复杂的系统级联和精确的参数控制才能实现多个轨道角动量态的分离。2010年，Berkhout等人提出了一种基于坐标变换实现复用轨道角动量态分离的方法。该方法将具有螺旋相位的轨道角动量态光转化成具有水平相位梯度的平面光，之后通过一个透镜实现不同平面波在焦平面处的分离。随后，Mohammad等人改进了这一方法，进一步提高了轨道角动量态分离的效率和准确度。这种分离方案的实现结构简单，同时具有良好的分辨率，但是其分离过程需要使用价格昂贵的光学设备，并且分离出的光束不再具备涡旋光束的特性。而本专利技术能够很好地解决上面的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于解决上述现有提取方法的不足，提供了一种基于法布里-珀罗干涉的轨道角动量态提取方法，该方法一方面保持了传统干涉提取方法的优势，不会对提取出的轨道角动量态的空间结构造成破坏；另一方面通过法布里-珀罗干涉原理极大地提高了轨道角动量干涉谱的角分辨率，进而实现了一次性地对轨道角动量态的高纯度提取。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于法布里-珀罗干涉的轨道角动量态提取方法，该方法包括如下步骤：步骤1：根据需要提取的轨道角动量本征态的拓扑荷值，设置相应的方位角角度值α。将复用轨道角动量态光束经过方位角α的延迟，使得不同轨道角动量本征态分别经历与各自拓扑荷值相关的相位延迟exp(ilα)。步骤2：根据提取纯度的要求，设置相应的分离比例ρ。经过方位角延迟的复用轨道角动量态光束以1-ρ的比例出射，其余部分的光束再次经过与步骤1相同的方位角延迟。步骤3：保持相同的参数α和ρ，重复步骤2的操作直到第k次。将k次比例出射的光束叠加干涉，此时干涉得到的光束即为提取出的轨道角动量态光束。其中k类似一个光学腔光束在其中进行循环，每次都按1-p的比例出射，那么循环k次后，就会有k个出射的光束，这些光束叠加就是我们的结果。进一步的，本专利技术方法通过调整方位角参数α，提取出不同的轨道角动量态。进一步的，本专利技术方法提取出的轨道角动量态具有很高的纯度，通过控制分离比例参数ρ，对提取的纯度进行控制。进一步的，本专利技术方法提取出的轨道角动量态具有完整的空间结构。进一步的，本专利技术方法是在小范围偏离理论方位角参数α情况下，仍能提取出高纯度的轨道角动量本征态。本专利技术还提供了一种基于法布里-珀罗干涉的轨道角动量态提取系统，该系统包括轨道角动量态耦合模块、方位角延迟模块、比例分束模块和多光束干涉模块。轨道角动量态耦合模块的功能是：将入射的复用轨道角动量态光束耦合进入实现法布里-珀罗干涉的光学腔中，并防止其从腔体输入端逃逸。方位角延迟模块的功能是：对光学腔中的复用轨道角动量态光束进行一个固定方位角度的延迟。比例分束模块的功能是：将经过方位角延迟模块的光束按照一定的比例进行分束，一部分进入多光束干涉模块，一部分继续在光学腔中循环进入方位角延迟模块。多光束干涉模块的功能是：完成从比例分束模块出射光束的干涉，当干涉光束的能量达到一定阈值时，使之出射腔体。本专利技术系统的核心部分类似于一个光学腔，可以实现复用轨道角动量态光束的法布里-珀罗干涉过程，并且系统的结构简单，不需要复杂的级联结构，能够一次性的提取出所需的轨道角动量态光束。有益效果：1、本专利技术是以法布里-珀罗干涉为基本原理的复用轨道角动量态提取方法，通过对复用轨道角动量态光束的多次干涉，实现不同轨道角动量态光束的提取。2、本专利技术能够大幅提高干涉谱的角分辨率，通过调整方位角延迟模块中的角度参数，就能提取出不同的轨道角动量态。3、本专利技术提取出的轨道角动量态具有很高的纯度，并且可以通过控制分束模块的比例系数，对提取的纯度进行控制。4、本专利技术能够实现对复用轨道角动量态的非破坏提取，即提取出的轨道角动量态具有完整的空间结构。5、本专利技术结构简单，不需要复杂的级联结构，能够一次性的提取出所需的轨道角动量态光束。附图说明图1为本专利技术的方法流程图。图2为本专利技术在不同参数下的轨道角动量态干涉谱。图3为本专利技术在不同参数下的提取结果和纯度的数值仿真图。图4为本专利技术在不同参数下，复用轨道角动量态干涉谱的角分辨率的数值仿真图。图5为本专利技术在偏离理论方位角情况下(ρ＝0.99)提取轨道角动量本征态的数值仿真图。图6为本专利技术的系统结构示意图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术作进一步的详细说明。如图1所示，本专利技术提供了了一种基于法布里-珀罗干涉的轨道角动量态提取方法，该方法的具体技术方案包括如下步骤：步骤1：根据需要提取的轨道角动量本征态A0exp(il0θ)的拓扑荷值，设置相应的方位角角度值α，且n个OAM本征态复用的光束，记为在经过方位角α的延迟后，可以表示为步骤2：根据提取纯度的要求，设置相应的分离比例ρ。一般的，ρ值越大提取的轨道角动量的纯度越高。经过方位角α延迟的复用轨道角动量态光束以1-ρ的比例出射，出射光束的表达式为其余部分的光束再次经过与步骤本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于法布里‑珀罗干涉的轨道角动量态提取方法，该方法包括如下步骤：步骤1：根据需要提取的轨道角动量本征态的拓扑荷值，设置相应的方位角角度值α，将复用轨道角动量态光束经过方位角α的延迟，使得不同轨道角动量本征态分别经历与各自拓扑荷值相关的相位延迟exp(ilα)；步骤2：根据提取纯度的要求，设置相应的分离比例ρ，经过方位角延迟的复用轨道角动量态光束以1‑ρ的比例出射，其余部分的光束再次经过与步骤1相同的方位角延迟；步骤3：保持相同的参数α和ρ，重复步骤2的操作直到完成k次，并将k次比例出射的光束叠加干涉，此时干涉得到的光束即为提取出的轨道角动量态光束。
【技术特征摘要】
1.一种基于法布里-珀罗干涉的轨道角动量态提取方法，该方法包括如下步骤：步骤1：根据需要提取的轨道角动量本征态的拓扑荷值，设置相应的方位角角度值α，将复用轨道角动量态光束经过方位角α的延迟，使得不同轨道角动量本征态分别经历与各自拓扑荷值相关的相位延迟exp(ilα)；步骤2：根据提取纯度的要求，设置相应的分离比例ρ，经过方位角延迟的复用轨道角动量态光束以1-ρ的比例出射，其余部分的光束再次经过与步骤1相同的方位角延迟；步骤3：保持相同的参数α和ρ，重复步骤2的操作直到完成k次，并将k次比例出射的光束叠加干涉，此时干涉得到的光束即为提取出的轨道角动量态光束。2.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗干涉的轨道角动量态提取方法，其特征在于：所述方法通过调整方位角参数α，提取出不同的轨道角动量态。3.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗干涉的轨道角动量态提取方法，其特征在于：所述方法提取出的轨道角动量态具有很高的纯度，通过控制分离比例参数ρ，对提取的纯度进行控制。4.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀罗干涉的轨道角动量态提取方法，其特征在于：所述方法提取出的轨道角动量态具有完整的空间结构。5.根据权利要求1所述的一种基于法布里-珀...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵生妹，顾晓帆，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。