【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学，尤其涉及的是一种幺正变换的多轨道角动量模式分束装置及方法。
技术介绍
1、轨道角动量(oam，orbital angular momentum)是经典力学和量子力学的基本物理量，oam光束是一组拥有螺旋相位exp(ilφ)的正交模式集，φ为方位角，l是一个表示拓扑荷数的整数。l的数值在理论上可以达到无限大，这将在振幅、偏振、频率等传统通信自由度的基础上为光通信提供一种具有无限大容量的自由度，将它们作用在一起作为信息的调制和复用的方式，会突破现有的通信容量极限，大大提高信息的传输速率，并且有很好的通信保密性。
2、涡旋光是一种携带oam(orbital angular momentum，即轨道角动量)的光束，其中心存在相位奇点，在空间分布上呈“甜甜圈”型结构，这些特性使得涡旋光广泛应用于光学操纵、量子信息处理、光子计算机以及自由光空间通信等领域。在通信领域中，由于不同oam光束之间相互正交，并且理论上oam本征态的数目是无限的，可以与传统复用技术相结合作为载波进行多路复用，极大地提高系统的通信容量和频谱效率。
3、目前很多研究工作已经证明oam模式能用来提升oam复用通信中的容量密度。然而，由于缺乏有效的分离和耦合oam模式光的手段，复杂光场的oam复用通信仍有很多限制。包括螺旋相位板、空间光调制器和超表面在内的各种器件被广泛研究用于操纵涡旋光。但螺旋相位板固定的结构使其调制能力有限；空间光调制器预知相位调制信号需要电光转换，导致调制速率低、集成度差；单层超表面在多光场下进行复杂波前处理
4、因此，现有的oam模式光分离技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种幺正变换的多轨道角动量模式分束的装置及方法，旨在解决现有技术中调控功能单一，缺乏有效的分离和耦合oam模式光的手段，使得复杂光场的oam复用通信存在很多限制，能量利用率低的问题。
2、本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：
3、一种幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其中，所述幺正变换的多轨道角动量模式分束装置包括：
4、多oam模式产生模块，用于生成多个具有不同拓扑的涡旋光束，并共轴入射到所述多级调制模块；
5、多级调制模块，用于对所述多oam模式产生模块生成的多个涡旋光束实现空间分束的幺正变换；
6、探测模块，用于检测和记录经过所述多级调制模块后的光场分布。
7、所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其中，所述多oam模式产生模块包括用于产生高斯光束的第一光源和第二光源，以及用于产生多oam模式涡旋光的复用器件。
8、所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其中，所述多级调制模块包括用于实现幺正变换的多级相位屏。
9、所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其中，所述探测模块包括用于记录光场分布的拍摄装置，所述拍摄装置包括宽波段的ccd相机。
10、所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其中，所述第一光源和所述第二光源为波长可调的激光器；所述复用器件为光栅，所述为光栅用于将不同角度斜入射的高斯光在中心共轴输出不同oam模式的涡旋光束。
11、所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其中，所述多级相位屏为加载幺正变换调制矩阵的相位衍射板。
12、为了实现上述目的，本专利技术还提供一种基于所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置的幺正变换的多轨道角动量模式分束方法，其中，所述幺正变换的多轨道角动量模式分束方法包括以下步骤：
13、通过所述多oam模式产生模块生成多个具有不同拓扑荷的涡旋光束，并共轴入射到所述多级调制模块；
14、通过所述多级调制模块对所述多oam模式产生模块生成的多个涡旋光束实现空间分束的幺正变换；
15、通过所述探测模块检测和记录经过所述多级调制模块后的光场分布。
16、所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束方法，其中，所述幺正变换的多轨道角动量模式分束方法包括，具体包括：
17、通过第一光源产生第一波长的第一高斯光，通过第二光源产生第二波长的第二高斯光，所述第一高斯光和所述第二高斯光斜入射到复用器件上，经过所述复用器件将所述第一高斯光和所述第二高斯光调制后在中心共轴输出不同oam模式的涡旋光束，并入射到多级相位屏；
18、多oam模式的涡旋光束经过所述多级相位屏调制后，根据不同oam模式在空间不同位置出射；
19、在拍摄装置上探测到不同位置的oam模式涡旋光束。
20、所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束方法，其特征在于，所述通过所述多级调制模块对所述多oam模式产生模块生成的多个涡旋光束实现空间分束的幺正变换，具体包括：
21、将多个oam模式的光场分布作为多级相位调制模型的输入，将分离后不同oam模式光不同出射位置作为所述多级相位调制模型的输出，选取具有不同oam模式的同轴光作为输入基，选取具有不同离轴位移的oam模式作为输出基，对oam模式的空间位移建立幺正变换，映射关系为：
22、eout(x,y)＝ein(x-mcosγ,y-msinγ)；
23、其中，x，y表示光束空间坐标；表示控制空间位移，表示控制位移方向；ein表示输入基，eout表示输出基；
24、输入基和输出基之间的幺正变换由幺正矩阵与共轭矩阵相乘得到：
25、
26、其中，u是满足oam模式空间横移转换的特征幺正矩阵，uh是u的共轭矩阵；
27、利用oam模式作为特征信息，通过幺正变换赋予不同的调制函数，得到oam模式的多方向空间横移；
28、根据输入和输出训练所述多级相位调制模型，直到所述多级相位调制模型的损失函数的函数值下降到预设阈值，求解得到幺正变换中相位调制矩阵分布；
29、所构造的幺正变换的多轨道角动量模式分束器中，所述损失函数具体为：
30、
31、其中，l为损失函数的函数值，为预测的输出光场，为目标的输出光场；
32、将求解得到的幺正变换中相位调制矩阵分布加载到相位屏上级联形成多级调制模块，实现对多oam模式涡旋光的分束。
33、所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束方法，其中，所述多级相位屏加载了幺正变换赋予的调制矩阵相位图。
34、有益效果：本专利技术通过多oam模式产生模块，生成多个具有不同拓扑的涡旋光束，之后当多个携带有不同oam模式的涡旋光束从左到右入射到所述多级调制模块上，经幺正变换的模式选择性横移调制，根据oam模式的差异进行不同空间位置的分离，实现空间分束的幺正变换；最后探测模块对经过多级调制模块后的光场分布进行检测和记录，最终实现oam模式分束，减少了能量损耗，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其特征在于，所述幺正变换的多轨道角动量模式分束装置包括：多OAM模式产生模块、多级调制模块和探测模块；
2.根据权利要求1所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其特征在于，所述多OAM模式产生模块包括用于产生高斯光束的第一光源和第二光源，以及用于产生多OAM模式涡旋光的复用器件。
3.根据权利要求1所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其特征在于，所述多级调制模块包括用于实现幺正变换的多级相位屏。
4.根据权利要求1所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其特征在于，所述探测模块包括用于记录光场分布的拍摄装置，所述拍摄装包括宽波段的CCD相机。
5.根据权利要求2所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其特征在于，所述第一光源和所述第二光源为波长可调的激光器；所述复用器件为光栅，所述为光栅用于将不同角度斜入射的高斯光在中心共轴输出不同OAM模式的涡旋光束。
6.根据权利要求3所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其特征在于，所述多级相位屏为加载幺正变换调制矩阵的
7.一种基于权利要求1-6任一项所述幺正变换的多轨道角动量模式分束装置的幺正变换的多轨道角动量模式分束方法，其特征在于，所述幺正变换的多轨道角动量模式分束方法包括：
8.根据权利要求7所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束方法，其特征在于，所述幺正变换的多轨道角动量模式分束方法包括，具体包括：
9.根据权利要求7所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束方法，其特征在于，所述通过所述多级调制模块对所述多OAM模式产生模块生成的多个涡旋光束实现空间分束的幺正变换，具体包括：
10.根据权利要求8所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束方法，其特征在于，所述多级相位屏加载了幺正变换赋予的调制矩阵相位图。
...【技术特征摘要】
1.一种幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其特征在于，所述幺正变换的多轨道角动量模式分束装置包括：多oam模式产生模块、多级调制模块和探测模块；
2.根据权利要求1所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其特征在于，所述多oam模式产生模块包括用于产生高斯光束的第一光源和第二光源，以及用于产生多oam模式涡旋光的复用器件。
3.根据权利要求1所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其特征在于，所述多级调制模块包括用于实现幺正变换的多级相位屏。
4.根据权利要求1所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其特征在于，所述探测模块包括用于记录光场分布的拍摄装置，所述拍摄装包括宽波段的ccd相机。
5.根据权利要求2所述的幺正变换的多轨道角动量模式分束装置，其特征在于，所述第一光源和所述第二光源为波长可调的激光器；所述复用器件为光栅，所述为光栅用于将不同角度斜入射的高...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈书青，程易辉，徐世祥，黄泽斌，王佩佩，刘俊敏，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：
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