一种基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统及方法，所述系统包括分束立方、直角棱镜、傅里叶透镜和空间光调制器，所述分束立方用于将入射的涡旋光束反射至空间光调制器上，直角棱镜用于改变从空间光调制器上反射光的方向，使其再次入射至空间光调制器，所述空间光调制器用于对两次入射的光束分别进行螺旋变换和相位校正，所述傅里叶透镜用于将相位校正后的平面波聚焦至电荷耦合器件上的不同位置，实现空间分离。本发明专利技术的基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统及方法具有高效率与高分辨率。高分辨率。高分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统及方法


[0001]本专利技术涉及轨道角动量通信复用及解复用
，具体地，涉及一种基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统及方法。

技术介绍

[0002]自从人们认识到携带有e
ilθ
螺旋相位结构的光束拥有大小为每个光子lh的轨道角动量(其中l称为拓扑荷数，θ为横向平面的方位角)后，涡旋光束在各领域均得到了迅速的发展。由于不同拓扑荷数的涡旋光束之间彼此正交，这使得涡旋光束有别于传统的平面波，拥有一个新的维度来实现信息的调制，并且，拓扑荷数l理论上并无界限，因而，涡旋光束在目前的光通信领域具有前所未有的应用前景。
[0003]涡旋光束在通信领域应用的关键问题便是如何实现不同拓扑荷数之间的高效复用与解复用。传统上，涡旋光束的复用是利用叉形光栅的全息图来对涡旋光束进行检测，但一张全息图只能检测一种涡旋光束，使得整个复用方案的效率仅有1/N，其中N是待检测的拓扑荷数的数量。另一种方案是利用M
‑
Z干涉仪的级联实现了多种拓扑荷数的同时检测，但N个待测的涡旋态便需要N
‑
1个M
‑
Z干涉仪的级联，这极大的增加了设备的体积和调试难度，限制了其在光通信领域的应用。除此之外，q波片，表面等离子体激元透镜等方法纷纷被提出，但都受制于复用的效率和系统稳定性，而无法在光通信领域较好的应用。在2010年，Berkhout教授等人提出了利用极坐标光学变换的方法来实现涡旋光束的高效解复用，他们仅利用两个相位元件实现了不同涡旋态的空间分离，使得涡旋光在通信领域的应用向前迈进一大步，但是这个方法受制于分辨率的问题，相邻涡旋态之间不能很好的分离。接着，在光学变换的基础上，Wen等人提出了利用对数螺旋变换来实现不同涡旋态之间高效并且高分辨率的空间分离，其效果相较于10年来说提高了数倍有余，但受制于对数螺旋本身的数学性质，此方法对于相位元件的精度要求高，并且能量的非均匀划分会使得最终光斑发生畸变，而性能也存在一定的上限，仍有待改进和提高。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种高效率与高分辨率的基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统及方法。
[0005]为解决上述问题，本专利技术的技术方案为：
[0006]一种基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统，所述系统包括分束立方、直角棱镜、傅里叶透镜和空间光调制器，所述分束立方用于将入射的涡旋光束反射至空间光调制器上，直角棱镜用于改变从空间光调制器上反射光的方向，使其再次入射至空间光调制器，所述空间光调制器用于对两次入射的光束分别进行螺旋变换和相位校正，所述傅里叶透镜用于将相位校正后的平面波聚焦至电荷耦合器件上的不同位置，实现空间分离。
[0007]可选地，所述空间光调制器包括变换部分和校正部分，入射的涡旋光束首先被分束立方反射至空间光调制器的变换部分，经过变换部分的通用螺旋变换相位的调制后，反
射出空间光调制器，再由直角棱镜改变其光束方向，使其经过分束立方后再入射至空间光调制器的校正部分，并按照预设变换映射成光斑。
[0008]可选地，所述变换部分用于在第一个相位面上将入射的涡旋光束按照预设的螺旋线形式进行分解，并映射成线段至第二个相位面上。
[0009]可选地，所述校正部分用于在第二个相位面上对变换后的光斑进行相位校正，校正由于变换相位和傅里叶变换所带来的额外相位。
[0010]可选地，所述电荷耦合器件设置于所述傅里叶透镜的焦平面上。
[0011]进一步地，本专利技术还提供一种基于螺旋变换的通用涡旋光复用方法，所述方法包括以下步骤：
[0012]入射光束被分束立方反射至空间光调制器，经过通用螺旋变换相位调制后反射出空间光调制器，再由直角棱镜改变其光束方向后入射至空间光调制器，得到预设的变换光斑；
[0013]通过相位校正元件来校正光斑中由于变换相位和傅里叶变换所引入的额外相位，使得涡旋光束的角向相位分布变成横向相位分布，涡旋光束被转换为具有一定相位梯度的平面波；
[0014]校正后的涡旋光束经过分束立方反射至傅里叶透镜，通过傅里叶透镜聚焦至电荷耦合器件上不同位置，实现不同涡旋光束的空间分离。
[0015]可选地，所述通用螺旋变换相位包括螺旋变换项和透镜项，所述通用螺旋变换相位的数学表达式为：
[0016]其中，为通用螺旋变换项，为透镜项，k为所用光波的波数，(x,y)为第一个相位面的笛卡尔坐标，参数a决定了变换后光斑的大小，参数b决定了变换后光斑的横向缩放，d为两个相位面之间的距离，m由所用的螺旋线决定，代表平面上某点在螺旋线内的圈数，可由任意螺旋线的方程导出。
[0017]可选地，所述相位校正包括螺旋变换校正项和二次相位校正项，所述相位校正的数学表达式为：
[0018]其中，(u,v)为第二个相位面的笛卡尔坐标，
[0019]为通用螺旋变换校正项，用于校正由于螺旋变换所带来的额外相位，为二次相位校正项，用来校正由于傅里叶变换所带来的额外二次相位，所述相位梯度由涡旋光束的拓扑荷数l所决定。
[0020]与现有技术相比，本专利技术有益效果如下：
[0021]1、本专利技术提供的基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统利用一台空间光调制器即可同时实现变换相位和校正相位两个部分，极大的简化了系统结构，使调试更加简单；
[0022]2、本专利技术仅使用两个相位元件即可实现多个涡旋光束的同时分选，极大提高了系统的分选效率；
[0023]3、本专利技术通过将传统意义上横向平面的方位角通过螺旋线进行扩展，从而可以利用螺旋线对入射光束进行分解，极大的提高了最终空间分离光斑的分辨率；
[0024]4、本专利技术可以利用任意螺旋对入射光进行分解，从而可以有效降低变换相位对于器材的分辨率需求，并且对于不同的情况可以采用不同种类的螺旋线，这使得本方法既灵活，也可以有效提高最终分离光斑的分辨率；
[0025]5、本专利技术提供的校正相位与具体的螺旋线参数无关，这使得同一个校正相位元件可以搭配多种不同的螺旋变换元件，具有灵活适用的特点。
附图说明
[0026]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0027]图1为本专利技术实施例提供的基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统结构框图；
[0028]图2a、图2b为传统对数螺旋变换和本专利技术实施例提供的通用螺旋变换的效果比较图；
[0029]图3为本专利技术实施例提供的基于螺旋变换的通用涡旋光复用方法流程框图。
具体实施方式
[0030]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。
[0031]图1本专利技术实施例提供的基于螺旋变换的通用涡旋光复用系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统，其特征在于，所述系统包括分束立方、直角棱镜、傅里叶透镜和空间光调制器，所述分束立方用于将入射的涡旋光束反射至空间光调制器上，直角棱镜用于改变从空间光调制器上反射光的方向，使其再次入射至空间光调制器，所述空间光调制器用于对两次入射的光束分别进行螺旋变换和相位校正，所述傅里叶透镜用于将相位校正后的平面波聚焦至电荷耦合器件上的不同位置，实现空间分离。2.根据权利要求1所述的基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统，其特征在于，所述空间光调制器包括变换部分和校正部分，入射的涡旋光束首先被分束立方反射至空间光调制器的变换部分，经过变换部分的通用螺旋变换相位的调制后，反射出空间光调制器，再由直角棱镜改变其光束方向，使其经过分束立方后再入射至空间光调制器的校正部分，并按照预设变换映射成光斑。3.根据权利要求2所述的基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统，其特征在于，所述变换部分用于在第一个相位面上将入射的涡旋光束按照预设的螺旋线形式进行分解，并映射成线段至第二个相位面上。4.根据权利要求3所述的基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统，其特征在于，所述校正部分用于在第二个相位面上对变换后的光斑进行相位校正，校正由于变换相位和傅里叶变换所带来的额外相位。5.根据权利要求1所述的基于螺旋变换的通用涡旋光复用系统，其特征在于，所述电荷耦合器件设置于所述傅里叶透镜的焦平面上。6.一种基于螺旋变换的通用涡旋光复用方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹其文，万辰皓，程杰，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：