[发明专利]一种实现光束轨道角动量态复用编码的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现光束轨道角动量态复用编码的方法和装置，属于光电技术领域。

背景技术

光束含有与其角向相关的螺旋位相分布(也称扭转位相分布)时，该光束具有与其角向位相分布相关的轨道角动量。轨道角动量的一个重要的性质是其具有的量子性质。研究表明轨道角动量的本征波函数为螺旋谐波函数，用数学公式表示为其中是角向坐标，l为轨道角动量量子数(取整数值)。研究表明所有这些螺旋谐波函数描述的轨道角动量态的数目是无穷的，用轨道角动量量子数描述，从理论上来说，一个轨道角动量态符号可以携带无穷大的信息容量，这构成应用轨道角动量的量子性质进行高密度自由空间光通信的理论基础，也使得光束的轨道角动量在高密度信息存储和传输领域有着重要的应用价值。在利用光束的轨道角动量进行数据存储和传输时，信息调制是一个重要的组成部分，需要建立数据信息与轨道角动量态的映射关系。为了增加光束的信息容量，通常将几个不同的轨道角动量态同轴叠加用来表征一个数据态，也称之为光束轨道角动量态的复用编码。

近年来，一些工作致力于寻找可行的实现光束轨道角动量复用的方法。发表在《物理新杂志》2004年第6卷第131期(Z.Bouchal and R.Celechovsky，″Mixedvortex states of light as information carriers，″New J Phys 6(131)，1-15(2004))上的文章设计了一个相位调制光栅和一个幅度调制光栅以实现无衍射螺旋光的叠加，无衍射的螺旋光的叠加光在空间传输的时候具有较好的自修正特性，该方法需要通过调整相位光栅和振幅光栅来实现不同的光束叠加态，这就使得数据调制速度受到空间光调制器刷新频率的限制；发表在《现代光学杂志》2004年第51卷第2期上的文章(S.N.Khonina，V.V.Kotlyar，V.A.Soifer，K.Jefimovs，and J.Turunen，″Generation and selection of laser beams represented by asuperposition of two angular harmonics，″J Mod Opt 51(2)，761-773(2004))设计二元相位光栅实现24种不同的双螺旋光叠加，这种方法在空间的不同方向上用衍射的方法直接产生两束处于不同轨道角动量态的光束的叠加，但是衍射元件的加工复杂昂贵，且不能实现动态调制；发表在《光学通讯》2005年第30卷第24期上的文章(J.Lin，X.-C.Yuan，S.H.Tao，and R.E.Burge，″Collinearsuperposition of multiple helical beams generated by a single azimuthally modulatedphase-only element，″Opt Lett 30(24)，3266-3268(2005))也提出了一个生成纯相位光栅的算法，以产生两个以上螺旋光的叠加，这种方法也存在数据调制速度受限制的问题。因此，我们设计了一种易于实现且信息调制速度不受空间光调制器刷新频率限制的光束轨道角动量态复用编码的方法和装置。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够实现光束轨道角动量态复用编码的方法和装置。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

本发明的装置包括激光器、起偏器、扩束器、空间光调制器、三个1/4波片、傅立叶变换透镜、偏振分光棱镜、两个波罗棱镜和小孔光阑。

所述的激光器输出光束为高斯光束；所述的扩束器置于起偏器后，用于增大光束半径；所述的空间光调制器，置于傅立叶变换透镜的前焦平面上；所述的1/4波片快轴方向与入射到其上的光束的偏振方向呈π/4的夹角；所述的波罗棱镜能够绕其入射光光轴旋转，且保证旋转过程中直角棱始终与其入射光光轴垂直；所述的小孔光阑置于傅立叶变换透镜的后焦平面上。

所述的空间光调制器加载调制函数，对光束进行相位调制或者振幅调制，使得在傅立叶变换透镜后焦面上形成均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束。

本发明提供的光束轨道角动量态复用编码的方法由两个功能块构成，具体步骤为：

①产生均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束，具体步骤为：