一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法及系统，该方法包括：将携带光子轨道角动量的涡旋光场垂直入射至(r

【技术实现步骤摘要】
一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法及系统
本专利技术涉及光场调控领域，尤其涉及一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法及系统。
技术介绍
涡旋光是一类空间结构光场，光强分布为一个圆环形，对应相位分布是角向线性变化的螺旋相位结构(携带螺旋相位因子exp(ilθ)，其中l为特定阶数的拓扑荷数，θ为方位角)。涡旋光携带光子轨道角动量(Orbitalangularmomentum,OAM)，对应不同拓扑荷(阶数)的OAM模式具有正交属性。在光通信应用中，不同阶数的涡旋光模式可作为不同信息传输的通道，这为数量级提升通信容量提供重要的技术途径。在涡旋光通信系统中，除了涡旋光模式的产生和探测之外，对模式的调控也是面向应用需求所要解决的关键问题。目前有两种光学坐标变换被提出并用于OAM乘法和除法操作。(1)第一种光学坐标变换是对数极坐标变换，它实现OAM乘法或除法的基本原理是：首先利用对数极坐标变换将环形的OAM模式exp(ilθ)剪切展开为长条形的倾斜平面波模式，然后利用扇出型光栅元件对该长条形的倾斜平面波模式进行n倍的光场复制和拼接从而对应有n×2π的相移量，最后通过逆向的对数极坐标变换将上述长条形的倾斜平面波模式重新包裹回环形的OAM模式，此时该OAM模式将变为exp(inlθ)，即实现OAM乘法操作。这一方案理论上具有100％的转换效率，并且原则上可以逆向使用同时实现OAM除法操作等优点，然而其显著的缺点则是需要三步变换因而复杂度太高，在实际中轻微的对准偏差就会导致OAM乘法/除法操作的效果显著恶化。(2)第二种光学坐标变换则是扇形变换，它实现OAM乘法或除法的基本原理是：利用扇形变换可以实现角向缩放这一特点(θ→θ/n)，将环形OAM模式转换为扇形模式；通过n个并行的扇形变换产生出n个互补的扇形变换光场从而构成完整的环形OAM模式exp(inlθ)。由于n个并行的扇形变换所需的相位调制是叠加在同一个衍射屏上实现，因而这一方案实际上只需进行一步变换，复杂度显著降低。然而上述n个相位调制的叠加将对应需要进行复振幅调制，因而在波前调控实现上较为复杂并且因为振幅调制会引入损耗。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法及系统，。本专利技术所采用的第一技术方案是：一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法，包括以下步骤：将携带光子轨道角动量的涡旋光场垂直入射至(r1,θ1)平面的第一相位板，所述第一相位板上加载有预设的第一相位调制Q(r1,θ1)，所述涡旋光场的波前为角向螺旋相位分布为exp(ilθ1)，所述l为拓扑电荷数，θ1为方位角，i是虚数单位；涡旋光场经过第一相位板螺旋分解和相位调制后传播到(r2,θ2)平面的第二相位板，所述第二相位板上加载有预设的第二相位调制P(r2,θ2)；将涡旋光场经过第二相位板使得相位分布从角向螺旋相位exp(ilθ1)变换为角向缩放后的螺旋相位exp(inlθ2)后通过光学4f低通滤波模块，得到环形光强分布的理想涡旋光，所述n为缩放因子；通过光学4f低通滤波模块输出平面(r3,θ3)输出理想涡旋光，完成乘除操作。进一步，所述旋涡光场的中心与第一相位板的中心对准。进一步，所述第一相位板螺旋分解具体为(r1,θ1)平面上的光场沿着对数螺旋线的路径分解并映射到(r2,θ2)平面上的直线，相应的坐标映射关系表达式如下：θ2＝θ1/n,r2＝cr1-1/n式中，所述(rj,θj)(j＝1,2,3)是直角坐标表示的(xj,yj)平面的螺旋极坐标，所述n和为对数螺旋变换的相关参数，n表示缩放因子，r0表示上述坐标变换中从(r0,0)映射到同一点(r0,0)的径向位置。进一步，所述(rj,θj)(j＝1,2,3)通过下式进行表达：式中，所述a表示对数螺旋线的变化快慢程度；所述表示取整数部分，θj的取值范围是(-∞,+∞)。进一步，所述第一相位调制Q(r1,θ1)表达式如下：式中，所述k为入射涡旋光场在第一相位板与第二相位板之间的传播的波数，所述d为第一相位板与第二相位板之间的距离；所述n和为对数螺旋变换的相关参数，其中n表示缩放因子，r0表示上述坐标变换中从(r0,0)映射到同一点(r0,0)的径向位置；所述的q＝1-1/n以简化表达式。进一步，第二相位调制P(r2,θ2)表达式如下：式中，所述k为入射涡旋光场在第一相位板与第二相位板之间的传播的波数，所述d为第一相位板与第二相位板之间的距离，(r1,θ1)和(r2,θ2)满足相应的坐标映射关系。本专利技术所采用的第二技术方案是：一种光子轨道角动量模式任意乘除的系统，包括光学坐标变换模块和光学4f低通滤波模块，所述光学坐标变换模块包括具有光场相位调制功能的第一相位板和第二相位板，光学4f低通滤波模块包括第一凸透镜、光阑和第二凸透镜，所述光阑位于第一凸透镜的后面和第二凸透镜的前焦面，所述第一凸透镜的前焦面与第二凸透镜的后焦面处的光场满足低通滤波的关系。进一步，所述第一相位板和第二相位板是一个基片的正反两面，所述光学4f低通滤波模块与第二相位板的(r2,θ2)平面相互平行，第二相位板的(r2,θ2)平面与第一凸透镜的前焦面相对应，输出光场平面(r3,θ3)与第二凸透镜的后焦面相对应。本专利技术方法及系统的有益效果是：通过对第一相位板的螺旋变换从光子轨道角动量模式中提取更多的相位变化，可以有效避免由于OAM乘除操作前后光场角向相移量失配引起的问题，实现OAM乘除操作。附图说明图1是本专利技术一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法步骤流程图；图2是本专利技术一种光子轨道角动量模式任意乘除系统的光路结构示意图；图3是本专利技术实施例中实现光子轨道角动量模式乘除操作的原理示意图一；图4是本专利技术实施例中实现光子轨道角动量模式乘除操作的原理示意图二。附图标记：1、第一相位板；2、第二相位板；3、第一凸透镜；4、光阑；5、第二凸透镜。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。本专利技术提出了一种具有角度缩放关系的新型螺旋坐标变换用于实现任意的OAM乘法/除法操作。这一螺旋坐标变换是沿着螺旋线路径而非封闭的圆形路径对OAM光场的波前进行分解，由于螺旋线向外逐圈旋转的特点，沿着这一路径可以从OAM光场的波前环绕光轴提取多圈的相移而不仅限于单圈的相移2πl，因而可以有效避免上述光学变换方案存在的OAM乘法/除法操作前后输入模式和输出模式角向相移量失配的问题。通过输入平面和输出平面之间的螺旋坐标映射，可以实现其角向坐标间的任意缩放，即θ2→θ1/n(其中缩放因子n为任意有理数)；由于光场在两个平面之间具有一一映射的关系，即exp(il1θ1)＝exp(il2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n将携带光子轨道角动量的涡旋光场垂直入射至(r

【技术特征摘要】
1.一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将携带光子轨道角动量的涡旋光场垂直入射至(r1,θ1)平面的第一相位板，所述第一相位板上加载有预设的第一相位调制Q(r1,θ1)，所述涡旋光场的波前为角向螺旋相位分布为exp(ilθ1)，所述l为拓扑电荷数，θ1为方位角，i是虚数单位；
涡旋光场经过第一相位板螺旋分解和相位调制后传播到(r2,θ2)平面的第二相位板，所述第二相位板上加载有预设的第二相位调制P(r2,θ2)；
将涡旋光场经过第二相位板使得相位分布从角向螺旋相位exp(ilθ1)变换为角向缩放后的螺旋相位exp(inlθ2)后通过光学4f低通滤波模块，得到环形光强分布的理想涡旋光，所述n为缩放因子；
通过光学4f低通滤波模块输出平面(r3,θ3)输出理想涡旋光，完成乘除操作。


2.根据权利要求1所述一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法，其特征在于，所述旋涡光场的中心与第一相位板的中心对准。


3.根据权利要求2所述一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法，其特征在于，所述第一相位板螺旋分解具体为(r1,θ1)平面上的光场沿着对数螺旋线的路径分解并映射到(r2,θ2)平面上的直线，相应的坐标映射关系表达式如下：
θ2＝θ1/n,r2＝cr1-1/n
式中，所述(rj,θj)(j＝1,2,3)是直角坐标表示的(xj,yj)平面的螺旋极坐标，所述n和为对数螺旋变换的相关参数，n表示缩放因子，r0表示上述坐标变换中从(r0,0)映射到同一点(r0,0)的径向位置。


4.根据权利要求3所述一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法，其特征在于，所述(rj,θj)(j＝1,2,3)通过下式进行表达：

θj＝θ0+2m...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钰杰，闻远辉，余思远，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44