[发明专利]一种复用涡旋光束轨道角动量模式的检测系统及其方法

说明书

本发明公开了一种复用涡旋光束轨道角动量模式的检测系统及其方法，涉及光通信技术领域。本系统包括高斯光源、调制装置、产生待测复用涡旋光束装置、产生辅助高斯光束装置、第1检测装置、第1接收装置、第2检测装置和第2接收装置；第1控制器控制第1空间光调制器；第2控制器控制第2空间光调制器和第1接收器，并显示第1检测结果；第3控制器控制第3空间光调制器和第2接收器，并显示第2检测结果。本方法包括①在发射端：②在检测端；③在接收端。本系统简单而又高效地实现复用涡旋光束高阶OAM模式的检测；本系统的结构简单，易于实现；本发明适用于光学微操作、光学成像、光通信和量子信息研究领域提供对复用涡旋光束OAM模式的检测。

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种复用涡旋光束轨道角动量模式的检测系统及其方法。

背景技术

涡旋光束(Vortex Beams)是一种波前沿传播方向具有螺旋形式的光束，该光束具有螺旋相位因子exp(ilφ)携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)，每个光子携带的轨道角动量为lh，其中φ为方向角，l为拓扑荷值或轨道角动量的阶数，h为约化普朗克常数，螺旋型波前和中心有相位奇点是它的两个主要特征。

自由空间光通信是空间信息网络中高速信息传输的重要技术，目前正面临着频谱利用率低和信道容量不足等问题。理论上，利用涡旋光束作为载体，新增的OAM自由度来编码信息可解决上述问题，OAM光通信凭借其频谱利用率高、安全可靠性高和传输速率高的优势被越来越多的研究人员关注，复用OAM光通信则可以进一步提高通信容量和通信速率。复用涡旋光束在各个研究领域有广泛的研究，如光学微操作、光学成像、光通信和量子信息等，在这些大多数应用中对于测量复用OAM的拓扑荷(Topological Charges，TC)极其重要。截至目前，经检索测量单OAM模式的方法已经有很多，但是测量复合涡旋光束OAM模式的方法较少，如杨春勇等研究了两束涡旋光复用传输后的相位分布特征，并揭示了其与两光束携带拓扑荷信息的关联；柯熙政等分析了叠加涡旋光束的相位及光场分布，证实了利用叠加态的涡旋光束光场衍射图检测叠加光束拓扑荷数的正负及数值的可行性；韦宏艳等利用椭圆形光阑仿真研究了复合涡旋光束，可测量高阶模式范围为-30至+30；Gao等利用相移法仿真研究了同轴叠加的涡旋光束，可测量两模式相差较大的复用涡旋光束，且可测范围为-12至12。这些方法目前只停留在仿真阶段并没有进行实验证明且可探测模式范围较低，所以测量复用涡旋光束的实现方法还需进一步探索。多模复用涡旋光束的探测方法以复合叉形光栅和达曼涡旋光栅的检测为主；当一束高斯光束通过复合叉形光栅时，其远场衍射将会是一光斑阵列；若一个相位相反的多模混合涡旋光束，则远场衍射会出现多个实心斑点，根据其位置可确定复合光束的OAM态分布；2009年，Moreno等提出了一种新的衍射光栅，通过二值化相位光栅周期相位分布，可将-3至+3多个衍射级同时显现，通过设计不同的叉形，可实现涡旋光束的探测；随后，Zhang等提出了一种新型的达曼涡旋光栅，其远场衍射为一个5×5涡旋光束阵列，可将OAM态的连续可探测范围扩展至-12至+12；随后，柯熙政等提出一种整合达曼涡旋光栅，将多模态的探测范围扩展至-24至+24；由于这些方法主要通过观察远场衍射的中心是否有实心斑点且需根据其位置才能判断OAM模式，然而实际实验中斑点能量较低且效果不好观察，又因探测的模式是固定的且探测范围较低，随着信息时代的高速发展，这些方法仍然无法满足部分应用如光通信等的应用要求，为此需要一种能够解决上述各种问题的实用型系统及其方法。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种复用涡旋光束轨道角动量模式的检测系统及其方法，简单而又高效地实现复用涡旋光束高阶OAM模式的检测。

本发明的目的是这样实现的：