用于发射和接收具有轨道角动量检测的电磁辐射束的方法和系统以及相关的远程通讯的方法和系统技术方案

描述了一种用于发射和接收电磁辐射束的方法，该方法适合于确定接收到的电磁辐射束的轨道角动量。进一步描述了一种用于发射和接收电磁辐射束的系统，该系统能够执行上述方法。进一步描述了一种用于执行根据任何调制技术调制的、并借助于轨道角动量复用进行分组的信号的远程通讯的方法。进一步描述了一种能够执行用于执行调制信号的远程通讯的上述方法的远程通讯的系统。远程通讯的系统。远程通讯的系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于发射和接收具有轨道角动量检测的电磁辐射束的方法和系统以及相关的远程通讯的方法和系统


[0001]本专利技术总体上涉及具有束的轨道角动量检测的电磁束(特别是光束/激光束和微波束)的发射和接收的
，以及涉及基于电磁束(特别是光束/激光束和微波束)、轨道角动量调制和/或轨道角动量复用的远程通讯的领域。

技术介绍

[0002]电磁束(特别是激光束和微波束)的传播理论最近已经证明存在轨道角动量(Orbital Angular Momentum)。
[0003]从传统的角度来看，轨道角动量是与束传播的不同横向模式相关的概念。
[0004]这也可以被认为是以下事实的说明，即轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)波的传播前部不是简单的平面，而是具有可以由螺旋面表示的演变。
[0005]换句话说，坡印廷矢量(Poynting vector)以及波矢量(wave vector)不再简单地平行于传播方向，而是围绕传播方向扭曲。
[0006]从量子的角度来看，轨道角动量是通过与自旋不同的另一个量子数进行处理。
[0007]最近，具有不同于0的轨道角动量以及能够取不同值的束也得到了实验性地证明。
[0008]当检测器仅由辐射束的有限部分照射时，即使离奇点很遥远，“轨道角动量”变量归因于其上述特征而特别难以被检测和表征。事实上，没有可靠的系统和方法允许检测电磁束的轨道角动量，例如，借助于局部测量接收的激光，即使离奇点很遥远，也只有束的有限部分入射到检测器。
[0009]另一方面，由于包括例如束的表征和用于远程通讯目的的角动量变量的利用的各种原因，感觉需要检测接收到的束的轨道角动量。
[0010]这种需求目前无法由通过局部测量的已知技术方案来满足。
[0011]申请人还意识到有希望利用轨道角动量变量作为附加自由度的可能性，这对于调制信号和复用信号都是有利的。
[0012]然而，考虑到的
中的
技术介绍
并未基于轨道角动量复用和/或调制提供可靠的远程通讯的解决方案。因此，感到特别需要这种解决方案。

技术实现思路

[0013]鉴于上述情况，本专利技术的目的是提供一种用于发射和接收电磁辐射束的方法，该方法适合于确定接收到的电磁辐射束的轨道角动量，例如以允许至少部分地消除上文参考的现有技术所诉说的缺点，并且以满足考虑到的
中特别感受到的上述需求。
[0014]这种目的通过根据权利要求1的方法来实现。
[0015]这种方法的进一步的实施方式通过权利要求2
‑
15来限定。
[0016]本专利技术还涉及一种用于发射和接收电磁辐射束的系统，该系统能够执行上述方法。这种系统限定在权利要求23和权利要求24中。
[0017]本专利技术还涉及一种用于执行根据任何调制技术调制的、并借助于轨道角动量复用进行分组的信号的远程通讯的方法。这种方法限定在权利要求16中。
[0018]这种方法的进一步的实施方式通过权利要求17
‑
22来限定。
[0019]本专利技术还涉及一种远程通讯的系统，该远程通讯的系统能够执行上述用于执行调制信号的远程通讯的方法。这种系统限定在权利要求25和权利要求26中。
附图说明
[0020]根据本专利技术的上述方法和系统的进一步特征和优点将从以下优选实施方式的描述中变得明显，该优选实施方式参考附图以指示性的和非限制性的示例的方式给出，其中：
[0021]‑
图1示出了根据本专利技术的用于发射和接收电磁辐射束的系统的实施方式的发射部分的简化图；这样的图1同时示出了相应方法的某些步骤；
[0022]‑
图2示出了根据本专利技术的用于发射和接收电磁辐射束的系统的实施方式的接收部分的简化图；这样的图2同时示出了相应方法的某些其他步骤；
[0023]‑
图3示出了根据本专利技术的远程通讯的系统的实施方式的发射部分的简化图；这样的图3同时示出了相应方法的某些步骤；
[0024]‑
图4示出了根据本专利技术的远程通讯的系统的实施方式的接收部分的简化图；这样的图4同时示出了相应方法的某些其他步骤；
[0025]‑
图5示出了根据本专利技术的系统的实施方式，包括相关器；
[0026]‑
图6描述了系统图示中使用的某些几何量。
具体实施方式
[0027]参考图1至图6，描述了一种用于发射和接收电磁辐射束的方法，该方法适合于确定接收到的电磁辐射束的轨道角动量。
[0028]该方法首先包括产生至少一个主电磁辐射束F1的步骤，以及产生参考电磁辐射束F0的步骤，该主电磁辐射束由第一轨道角动量L1、在第一频带中的第一谱和第一束曲率半径表征，该参考电磁辐射束F0由第二轨道角动量L0、在与上述第一频带不同的第二频带中的第二谱、以及与上述第一束曲率半径基本上一致的第二束曲率半径表征。
[0029]需要注意的是，上述基于第一轨道角动量L1和第二轨道角动量L0的表征也可以相应地按照拓扑电荷(l1，l0)来描述，因为角动量L和拓扑电荷l通过以下关系相关联：
[0030]L＝(l*h)/2π(其中，h是普朗克常数)。
[0031]因此，该方法包括产生复合电磁辐射束Q1，该复合电磁辐射束包含上述至少一个主束F1和参考束F0的叠加，并且发射由此产生的复合电磁辐射束Q1。
[0032]该方法还包括借助于位于第一位置中的第一束检测器1来接收上述复合电磁辐射束Q1以产生第一复合束电信号D1的步骤，该第一复合束电信号D1代表在这样的第一位置中复合束的电场、和/或磁场、和/或电磁辐射的强度；以及借助于位于相对于上述第一位置的第二不同位置中的第二束检测器2来接收上述复合电磁辐射束Q1以产生第二复合束电信号D2的步骤，该第二复合束电信号D2代表在这样的第二位置中复合束的电场、和/或磁场、和/或接收到的电磁辐射的强度。
[0033]该方法还包括以下步骤：执行第一复合束电信号D1的频率鉴别以得到第一主束电
信号P1和第一参考束电信号R1，该第一主束电信号P1代表在所述第一位置中归因于主束的电场、和/或磁场、和/或强度，该第一参考束电信号R1代表在第一位置中归因于参考束的电场、和/或磁场、和/或强度；以及执行第二复合束电信号D2的频率鉴别以得到第二主束电信号P2和第二参考束电信号R2，该第二主束电信号P2代表在第二位置中归因于主束的电场、和/或磁场、和/或强度，该第二参考束电信号R2为在第二位置中归因于参考束的电场、和/或磁场、和/或强度。
[0034]最终，该方法包含基于上述第一主束电信号P1、第二主束电信号P2、第一参考束电信号R1和第二参考束电信号R2来确定主电磁辐射束的轨道角动量L1和/或归因于主束轨道角动量L1的主电磁辐射束的空间相位变量。
[0035]根据该方法的一实施方式，确定步骤包括：确定第一相位差值ΔP，该第一相位差值ΔP对应于第一主束电信号P1的相位与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于发射和接收电磁辐射束的方法，所述方法适合于确定接收到的电磁辐射束的轨道角动量，所述方法包括以下步骤：
‑
产生至少一个主电磁辐射束(F1)，所述主电磁辐射束由第一轨道角动量(L1)、第一频带中的第一谱、以及第一束曲率半径表征；
‑
产生参考电磁辐射束(F0)，所述参考电磁辐射束由第二轨道角动量(L0)、在不同于所述第一频带的第二频带中的第二谱、以及与所述第一束曲率半径基本上一致的第二束曲率半径表征；
‑
产生复合电磁辐射束(Q1)，所述复合电磁辐射束包含所述至少一个主束(F1)和所述参考束(F0)的叠加；
‑
发射所述产生的复合电磁辐射束(Q1)；
‑
借助于位于第一位置中的第一束检测器(1)接收所述复合电磁辐射束、以产生第一复合束电信号(D1)，所述第一复合束电信号代表在所述第一位置中所述复合束的电场、和/或磁场、和/或电磁辐射的强度；
‑
借助于位于相对于所述第一位置的第二不同位置中的第二束检测器(2)接收所述复合电磁辐射束、以产生第二复合束电信号(D2)，所述第二复合束电信号代表在所述第二位置中所述复合束的电场、和/或磁场、和/或接收到的电磁辐射的强度；
‑
执行所述第一复合束电信号(D1)的频率鉴别、以得到第一主束电信号(P1)和第一参考束电信号(R1)，所述第一主束电信号代表在所述第一位置中归因于所述主束的电场、和/或磁场、和/或强度，所述第一参考束电信号代表在所述第一位置中归因于所述参考束的电场、和/或磁场、和/或强度；
‑
执行所述第二复合束电信号(D2)的频率鉴别、以得到第二主束电信号(P2)和第二参考束电信号(R2)，所述第二主束电信号代表在所述第二位置中归因于所述主束的电场、和/或磁场、和/或强度，所述第二参考束电信号代表在所述第二位置中归因于所述参考束的电场、和/或磁场、和/或强度；
‑
基于所述第一主束电信号(P1)、第二主束电信号(P2)、第一参考束电信号(R1)和第二参考束电信号(R2)，确定所述主电磁辐射束的所述轨道角动量(L1)和/或归因于所述主束轨道角动量(L1)的所述主电磁辐射束的空间相位变量。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定步骤包括：
‑
确定第一相位差值(ΔP)，所述第一相位差值对应于所述第一主束电信号(P1)的相位与所述第二主束电信号(P2)的相位之间的差，
‑
确定第二相位差值(ΔR)，所述第二相位差值对应于所述第一参考束电信号(R1)的相位与第二参考束电信号(R2)的相位之间的差，
‑
从所述第一相位差值(ΔP)除以第一波数(k)中减去所述第二相位差值(ΔR)除以第二波数(k')以得到差值(Q2＝ΔP/k
–
ΔR/k')，所述差值与所述第一检测器和所述第二检测器之间的位置倾斜度条件无关，而是由这两个检测器相对于束传播的相对位置导出，并且所述差值与由于经发射的复合束在接收前受到的干扰而引起的相位变量无关，其中，所述第一波数(k)为对应于所述主束的波数、被定义为k＝2π/λ，λ为所述主束的波长，并且其中，所述第二波数(k')为对应于所述参考束的波数、被定义为k'＝2π/λ，λ'为所述参考束的波长；
‑
基于所述得到的差值(Q2＝ΔP/k
–
ΔR/k')，确定所述主电磁辐射束的所述轨道角动量。3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定所述主电磁辐射束的所述轨道角动量的步骤包括：
‑
根据下式确定所述主电磁辐射束的所述轨道角动量ΔP/k
–
ΔR/k'
∝
(L1/k
‑
L0/k')(θ2‑
θ1)其中，θ1为在与包含所述第一检测器的复合束传播矢量正交的平面上测得的所述第一检测器的角位置，以及θ2为在与包含所述第二检测器的复合束传播矢量正交的平面上测得的所述第二检测器的角位置。4.根据权利要求2所述的方法，其中：
‑
确定第一相位差值(ΔP)的步骤包括：借助于第一相位比较器(3)将所述第一主束电信号(P1)的所述相位与所述第二主束电信号(P2)的所述相位进行比较；
‑
确定第二相位差值(ΔR)的步骤包括：借助于第二相位比较器(4)将所述第一参考束电信号(R1)的所述相位与所述第二参考束电信号(R2)的所述相位进行比较。5.根据权利要求2所述的方法，其中：
‑
确定第一相位差值(ΔP)的步骤包括：在所述第一主束电信号(P1)与所述第二主束电信号(P2)之间执行相关运算；
‑
确定第二相位差值(ΔR)的步骤包括：在所述第一参考束电信号(R1)与所述第二参考束电信号(R2)之间执行相关运算。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述参考束的所述轨道角动量始终是已知的。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述参考束的所述轨道角动量取常数值L0＝0。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一检测器(1)的所述第一位置和所述第二检测器(2)的所述第二位置是固定且恒定的，并且不同于所述束的涡旋的奇点的位置。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一检测器(1)的所述第一位置和/或所述第二检测器(2)的所述第二位置是可移动的，并且所述第一位置与所述第二位置之间的相互关系始终是已知的。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二频带基本上是单频的。11.根据权利要求10的方法，其中，所述第二频带与所述第一频带相邻。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，执行所述第一复合束电信号或所述第二复合束电信号的频率鉴别的步骤包括：
‑
执行频率过滤；或者
‑
借助于外差技术或其他频率分离方法来执行频率分离。13.根据权利要求1
‑
12中任一项所述的方法，其中，所述至少一个主电磁辐射束是未调制的。14.根据权利要求1
‑
12中任一项所述的方法，其中，所述至少一个主电磁辐射束是振幅调制的、和/或相位调制的、和/或频率调制的、和/或轨道角动量调制的。15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，发射的和接收的电磁束是光束和/
或激光束。16.一种用于根据任何已知的调制技术执行调制的信号的远程通讯的方法，所述调制的信号借助于在轨道角动量变量中复用进行分组，所述方法包括以下步骤：
‑
产生由第一轨道角动量(L1)表征的第一电磁辐射束(F1)，并且产生由至少一个相应的第二轨道角动量(L2)表征的至少一个第二电磁辐射束(F2)，其中，所述第一电磁辐射束(F1)和所述至少一个第二电磁辐射束(F2)在相同的第一频带中具有各自的谱，并且还具有与第一束曲率半径值基本上一致的、各自的曲率半径；
‑
借助于任何调制技术在所述第一电磁辐射束(F1)上调制待发射的第一条信息、以得到第一调制束(Fm1)，所述待发射的第一条信息由第一调制函数a(t)代表；
‑
借助于任何调制技术在所述至少一个第二电磁辐射束(F2)上调制至少一个待发射的第二条信息、以得到第二调制束(Fm2)，所述待发射的第二条信息由第二调制函数b(t)代表；
‑
产生参考电磁辐射束(F0)，所述参考电磁辐射束由第二轨道角动量(L0)、在不同于所述第一频带的第二频带中的第二谱、以及第二束曲率半径表征，所述第二束曲率半径具有与所述第一束曲率半径值基本上一致的值；
‑
将所述参考束(F0)、所述第一调制束(Fm1)和所述第二调制束(Fm2)叠加和/或组合、以产生复合电磁辐射束(Q1)，所述复合电磁辐射束包含所述参考束(F0)和主束的叠加，进而包含所述第一调制束(Fm1)和至少一个第二调制束(Fm2)的叠加；
‑
发射所述产生的复合电磁辐射束(Q1)；
‑
借助于位于第一位置中的第一束检测器(1)接收所述复合电磁辐射束、以产生第一复合束电信号(D1)，所述第一复合束电信号代表在所述第一位置中所述复合束的电场、和/或磁场、和/或电磁辐射的强度；
‑
借助于位于相对于所述第一位置的第二不同位置的第二束检测器(2)接收所述复合电磁辐射束、以产生第二复合束电信号(D2)，所述第二复合束电信号代表在所述第二位置中所述复合束的电场、和/或磁场、和/或接收到的电磁辐射的强度；
‑
执行所述第一复合束电信号(D1)的频率鉴别、以得到第一主束电信号(P1)和第一参考束电信号(R1)，所述第一主束电信号代表在所述第一位置中归因于所述主束的电场、和/或磁场、和/或强度，所述第一参考束电信号代表在所述第一位置中归因于所述参考束的电场、和/或磁场、和/或强度；
‑
执行所述第二复合束电信号(D2)的频率鉴别、以得到第二主束电信号(P2)和第二参考束电信号(R2)，所述第二主束电信号代表在所述第二位置中归因于所述主束的电场、和/或磁场、和/或强度，所述第二参考束电信号代表在所述第二位置中归因于所述参考束的电场、和/或磁场、和/或强度；
‑
确定所述第一主束电信号(P1)的相位和所述第二主束电信号(P2)的相位；
‑
确定所述第一参考束电信号(R1)的相位和所述第二参考束电信号(R2)的相位；
‑
确定第一相位差值(ΔP
ab
)，所述第一相位差值对应于所述第一主束电信号(P1)的相位与所述第二主束电信号(P2)的相位之间的差，所述第一相位差值(ΔP
ab
)取决于所述第一调制函数a(t)和所述第二调制函数b(t)所取的值；
‑
确定第二相位差值(ΔR)，所述第二相位差值对应于所述第一参考束电信号(R1)的相
位与所述第二参考束电信号(R2)的相位之间的差；
‑
从所述第一相位差值(ΔP
ab
)除以第一波数k中减去所述第二相位差值(ΔR)除以所述第二波数k'，以得到差值(Q2＝ΔP
ab
/k
–
ΔR/k')，其中，所述第一波数(k)为对应于所述主束的波数、被定义为k＝2π/λ，λ为所述主束的波长，并且其中，所述第二波数(k')为对应于所述参考束的波数、被定义为k'＝2π/λ'，λ'为所述参考束的波长，所述差值(Q2＝ΔP
ab
/k
–
ΔR/k')代表所述第一调制函数a(t)和所述第二调制函数b(t)所取的值的组合，而与所述第一检测器与所述第二检测器之间的位置倾斜度条件无关，并且与由于经发射的复合束在接收前受到的干扰而引起的相位变量无关；
‑
基于所述确定的差值(Q2＝ΔP
ab
/k
–
ΔR/k')，解复用和解调制在所述第一调制束(Fm1)和所述至少一个第二调制束(Fm2)中的每一者上调制的信息。17.根据权利要求16的方法，其中，轨道角动量复用的调制束的数量大于2。18.根据权利要求16或17中任一项所述的方法，其中，根据所述第一调制函数a(t)的振幅和所述至少一个第二调制函数b(t)的振幅，数字化振幅调制所述第一电磁辐射束(F1)和所述至少一个第二电磁辐射束(F2)，并且其中，所述差值(Q2＝ΔP
ab
/k
–
ΔR/k')能够取多个期望值，每个期望值代表由所述第一调制函数a(t)和所述至少一个第二调制函数b(t)所取的数字振幅值的相应组合。19.根据权利要求18所述的方法，其中：
‑
所述第一电磁辐射束(F1)和所述至少一个第二电磁辐射束(F2)以二进制方式进行数字化振幅调制，并且所述第一调制函数a(t)的所述振幅和所述至少一个第二调制函数b(t)的所述振幅能够取逻辑值0或1；
‑
所述方法包括检测对应于所述第一主束电信号(P1)或所述第二主束电信号(P2)的接收到的功率或强度(Q3)，并将接收到的所述功率或强度与最小阈值进行比较的另一步骤；
‑
经确定的差(Q2＝ΔP
ab
/k
–
ΔR/k')能够取第一期望值(ΔP
10
/k
–
ΔR/k')、或第二期望值(ΔP
01
/k
–
ΔR/k')、或第三期望值(ΔP
11
/k
–
ΔR/k')，所述第一期望值取决于第一角动量(L1)，所述第二期望值取决于第二角动量(L2)，所述第三期望值取决于所述第一角动量和所述第二角动量的组合；
‑
解调制、解复用和解调制所述调制信息的步骤包括：
‑
如果所述经确定的差(ΔP
ab
/k<...

【专利技术属性】
技术研发人员：马可，
申请(专利权)人：米兰大学，
类型：发明
国别省市：