一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统，该方法包括：将带有轨道角动量的光场经过第一块相位板后，基于光学螺旋坐标变换，沿着螺旋线进行不同程度的角度缩放；随后光场通过第二块相位板，该相位板可以对光学变换带来的相位畸变进行补偿，从而使得入射涡旋光束转换为分数阶模式的出射涡旋光束。通过使用本发明专利技术，能高效地模式转换并输出环状分布的分数阶涡旋光束。本发明专利技术作为一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统，可广泛应用于光通信应用的空间模式转换领域。通信应用的空间模式转换领域。通信应用的空间模式转换领域。

【技术实现步骤摘要】
一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统


[0001]本专利技术涉及光通信应用的空间模式转换领域，尤其涉及一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统。

技术介绍

[0002]近年来，随着现代信息技术产业的迅速发展以及智能终端的不断普及，大流量消耗性业务的兴起对通信传输容量提出了巨大挑战。在光通信领域，由于频谱资源日益紧张，纵使研究者们采用时分空分模分等多种通信复用技术来扩大传输容量，通信容量的不足仍是通信领域亟待解决的一个问题。作为目前通信领域的一个热门研究方向，基于空域的模分复用技术指的是光场在空间传输中存在若干相互正交的本征模式，不同的空间模式可以复用于单个信道来传输多组数据，从而提升了系统的传输容量。在众多的空域模分技术中，携带光子轨道角动量(orbitalangularmomentum，OAM)的涡旋光场在理论上具有无数相互正交的空间模式，在通信系统的传输、解复用、探测、模式转换等方面具有极大的应用潜力，而受到了广泛关注。
[0003]OAM模式调控，即实现不同OAM模式之间的任意转换，对于多模OAM通信系统尤为重要。模式的任意转换可以实现基于OAM的开关和路由功能，或者增大输入OAM信号的模式差以减小信号相邻串扰。对OAM模式进行加减操作是最为简单的一种调控，只需要把 OAM信号通过特定的螺旋相位板就可实现模式变换，但这种方式的灵活度极其有限。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种涡旋光束的分数阶模式转换方法及系统，对输入的环状整数阶涡旋信号进行模式转换，输出环状缺口分布的传统型分数阶涡旋信号。
[0005]本专利技术所采用的第一技术方案是：一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，包括以下步骤：
[0006]S1：将带有光子轨道角动量的预设涡旋光场垂直入射到(x,y)平面的第一相位板；
[0007]S2：入射涡旋光场经过第一相位板以螺旋线的形式分解后，进行角度缩放与周期相位调控，并传播到第二相位板的(u,v)平面；
[0008]S3：调制后光场经过第二相位板以螺旋线路径进行相位畸变的补偿，得到环状分布的分数阶涡旋光束；
[0009]S4：将通过第二相位板调制的分数阶涡旋光束通过4f透镜系统，得到环状分数阶涡旋光模式；
[0010]所述第一相位板上加载相位调制Q，所述涡旋光场的中心与第一相位板的结构中心对准，所述第二相位板上加载相位调制P，所述4f透镜系统中间的焦平面处上设有孔径光阑。
[0011]进一步，还包括：
[0012]S5：根据4f透镜系统后焦面上的光强探测模块，记录模式转换的分数阶涡旋光场分布。
[0013]进一步，所述角度缩放对应的坐标映射关系式如下：
[0014][0015]上式中，所述n表示模式变换的倍数，当|n|>1时，涡旋光模式转换为乘法变换，当|n|<1 时，涡旋光模式转换为除法变换，所述c表示螺旋变换的常数项因子，(r1,θ1)表示(x,y)平面上的螺旋极坐标，(r2,θ2)表示(u,v)平面上的螺旋极坐标。
[0016]进一步，所述(r1,θ1)可表示为：
[0017][0018]θ1＝θ
01
+2m1π
[0019]上式中，所述a、r0表示对数螺旋变换的相关参数，所述r0表示映射到(u,v)平面的原点对应(x,y)平面的位置信息，所述θ
01
表示(x，y)平面上等角螺旋坐标的方位角信息，所述m1表示(x，y)平面上等角螺旋坐标的螺旋线圈数，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，所述θ1、θ2的取值范围是 (
‑
∞,+∞)。
[0020]进一步，所述(r2,θ2)表示为：
[0021][0022]θ2＝θ
02
‑
2m2π
[0023]上式中，所述θ
02
表示(u，v)平面上等角螺旋坐标的方位角信息，所述 m2表示(u，v)平面上等角螺旋坐标的螺旋线圈数，
[0024]进一步，所述相位调制Q的表达式如下：
[0025][0026]上式中，所述k表示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表示第一相位板与第二相位板之间的距离，所述f(θ1)是周期函数表达。
[0027]进一步，周期函数f(θ1)表达式如下：
[0028][0029][0030]上式中，所述s、t为两个互质整数，并能使得n为分数倍数因子，将入射涡旋整数模式转换为分数阶涡旋模式，所述l为输入涡旋光束的拓扑荷值，所述h为任意整数，使得f(θ1) 的取值在[
‑
2π,2π]区间时，为最佳取值。
[0031]进一步，所述相位调制P的表达式如下：
[0032][0033]本专利技术所采用的第二技术方案是：一种涡旋光束的分数阶模式转换系统，包括基于螺旋坐标变换的相位调制模块、基于傅里叶变换的滤波模块和光强探测模块，其中：
[0034]所述基于螺旋坐标变换的相位调制模块包括两个调制光场相位的相位板，其中第一块相位板位于(x,y)平面，第二块相位板位于(u,v)平面；
[0035]所述基于傅里叶变换的滤波模块包括两个凸透镜和一个孔径光阑，所述凸透镜的前焦面和后焦面处的光场满足傅里叶变换的关系，其中(u,v)平面位于第一个凸透镜前焦面，孔径光阑位于第一个凸透镜后焦面同时也位于第二个凸透镜前焦面；
[0036]所述光强探测模块用于获取光强分布信息，所在平面与第二个凸透镜后焦面相对应。
[0037]本专利技术方法及系统的有益效果是：本专利技术通过周期函数与螺旋变换结合的模式转换，实现分数阶涡旋模式的信号输出，得到光强呈环状缺口分布的分数阶涡旋模式，从而为涡旋光模式转换提供了更多的输出模式选择，提升了基于涡旋光模式转换的光通信系统的实际应用潜力。
附图说明
[0038]图1是本专利技术一种涡旋光束的分数阶模式转换方法的步骤流程图；
[0039]图2为本专利技术具体实施例的涡旋光束分数阶模式转换的系统构成示意图。
[0040]图3为实施例子中基于坐标变换的改进螺旋转换方案的原理图。
[0041]图4为实施例子中方案改进前后的光强分布变化示意图。
具体实施方式
[0042]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。
[0043]参照图1，本专利技术提供了一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，该方法包括以下步骤：
[0044]S1：将带有光子轨道角动量的预设涡旋光场垂直入射到(x,y)平面的第一相位板；
[0045]S2：入射涡旋光场经过第一相位板以螺旋线的形式分解后，进行角度缩放与周期相位调控，并传播到第二相位板的(u,v)平面；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将带有光子轨道角动量的预设涡旋光场垂直入射到(x,y)平面的第一相位板；S2：入射涡旋光场经过第一相位板以螺旋线的形式分解后，进行角度缩放与周期相位调控，并传播到第二相位板的(u,v)平面；S3：调制后光场经过第二相位板以螺旋线路径进行相位畸变的补偿，得到环状分布的分数阶涡旋光束；S4：将通过第二相位板调制的分数阶涡旋光束通过4f透镜系统，得到环状分数阶涡旋光模式；所述第一相位板上加载相位调制Q，所述涡旋光场的中心与第一相位板的结构中心对准，所述第二相位板上加载相位调制P，所述4f透镜系统中间的焦平面处上设有孔径光阑。2.根据权利要求1所述一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，其特征在于，还包括：S5：根据4f透镜系统后焦面上的光强探测模块，记录模式转换的分数阶涡旋光场分布。3.根据权利要求2所述一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，其特征在于，所述角度缩放对应的坐标映射关系式如下：上式中，所述n表示模式变换的倍数，当|n|>1时，涡旋光模式转换为乘法变换，当|n|<1时，涡旋光模式转换为除法变换，所述c表示螺旋变换的常数项因子，(r1,θ1)表示(x,y)平面上的螺旋极坐标，(r2,θ2)表示(u,v)平面上的螺旋极坐标。4.根据权利要求3所述一种涡旋光束的分数阶模式转换方法，其特征在于，所述(r1,θ1)可表示为：θ1＝θ
01
+2m1π上式中，所述θ
01
表示(x，y)平面上等角螺旋坐标的方位角信息，所述m1表示(x，y)平面上等角螺旋坐标的螺旋线圈数，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，所述θ1、θ2的取值范围是(
‑
∞,+∞)。5.根据权利...

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