軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法，不同于單值產(chǎn)生方法，該方案通過光路循環(huán)可實現(xiàn)任意值產(chǎn)生。普通高斯脈沖光入射至循環(huán)光路，每經(jīng)過一階螺旋相位板，出射光束的拓撲荷數(shù)將升高一階，傳播至光路控制裝置，當(dāng)控制信號置位時，光束在光柵晶體處反射，光束進入循環(huán)光路，入射渦旋光束經(jīng)多次光路循環(huán)即其軌道角動量數(shù)多次升高直至為所需l值，當(dāng)控制信號復(fù)位時，光束在光柵晶體處透射，產(chǎn)生特定l態(tài)的渦旋光束被輸出。若設(shè)單次光路循環(huán)時長為Tc，產(chǎn)生光束時長為T，則出射光束的軌道角動量數(shù)l即為T/Tc，通過控制時間，實現(xiàn)了具有特定軌道角動量態(tài)渦旋光束的產(chǎn)生。該渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)具有可調(diào)諧的功能，能夠根據(jù)所需對光路循環(huán)時長進行自由控制，從而產(chǎn)生不同l態(tài)的渦旋光束，結(jié)構(gòu)清晰。
【專利說明】軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信技術(shù)，特別涉及一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]渦旋光束是具有螺旋型波前和相位奇點的一種特殊光場，相位奇點是指光場中那些相位不確定的地方，由于自身的干涉相消，光束中心強度為零，是一種暗中空的光束。光學(xué)渦旋場的暗中空特性以及軌道角動量與物質(zhì)的相互作用，使其在光學(xué)微操縱、原子光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、非線性光學(xué)、光學(xué)信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。渦旋光束具有除光強、頻率、偏振外的一個新的自由度，即軌道角動量。光束軌道角動量數(shù)理論上是無限多的且不同的軌道角動量態(tài)之間具有正交性，則將軌道角動量這一全新電磁波資源用于光通信的復(fù)用傳輸可以大幅提高光通信容量。為此，用于光通信的渦旋光束的產(chǎn)生和探測技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。
[0003]國內(nèi)外的研究機構(gòu)在渦旋光束產(chǎn)生及探測領(lǐng)域已經(jīng)進行了廣泛而細致的研究和分析，近兩年EC0C、0FC等光通信領(lǐng)域頂級會議上相繼出現(xiàn)和發(fā)表相關(guān)研究論文。主要研究利用可編程計算全息圖產(chǎn)生大小及拓撲荷可控的渦旋光束、利用最佳螺旋相位板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦旋光束以及利用特殊結(jié)構(gòu)的光纖生成渦旋光束。2009年，Tamm等人利用π/2模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)成功地把低階的厄米-高斯光束轉(zhuǎn)換成相應(yīng)潤旋光束，2010年,Bei jersbergen等人利用兩個柱面透鏡實現(xiàn)了任意階厄米-高斯光束與相應(yīng)渦旋光束的轉(zhuǎn)換。2011年美國貝爾實驗室設(shè)計徑向光柵用于生成具有軌道角動量的潤旋光束。2012年，Siddharth Ramachandran等人利用微彎光柵及渦旋光纖實現(xiàn)了渦旋光束的產(chǎn)生。2013年，王建等人設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)光纖實現(xiàn)了由高斯光束生成高階渦旋光束。
[0004]不同于上述產(chǎn)生方法，本方案通過光路循環(huán)可實現(xiàn)任意軌道角動量值渦旋光束的產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過光路循環(huán)可實現(xiàn)任意軌道角動量態(tài)的產(chǎn)生，降低了系統(tǒng)成本，提高產(chǎn)生了效率。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實現(xiàn)的:
[0007]—種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法，用于產(chǎn)生任意軌道角動量態(tài)的渦旋光束，其特征在于，該系統(tǒng)包括:光脈沖產(chǎn)生裝置、循環(huán)光路及校準(zhǔn)裝置、渦旋光束產(chǎn)生裝置、光路控制裝置:
[0008]所述光脈沖產(chǎn)生裝置利用脈沖半導(dǎo)體激光器來產(chǎn)生高斯光脈沖；
[0009]所述循環(huán)光路及校準(zhǔn)裝置由三個反射鏡、兩個校準(zhǔn)棱鏡構(gòu)成，用于構(gòu)成循環(huán)光路與光束校準(zhǔn)；
[0010]所述渦旋光束產(chǎn)生裝置由螺旋相位板構(gòu)成，用于將高斯脈沖轉(zhuǎn)換為具有軌道角動量態(tài)的渦旋光束，每經(jīng)過一次螺旋相位板，出射光束的拓撲荷數(shù)將升高一階；
[0011]所述光路控制裝置由光柵晶體開關(guān)構(gòu)成，用來控制光脈沖信號的循環(huán)與輸出。當(dāng)控制信號置位時，光脈沖被反射回循環(huán)光路繼續(xù)傳輸；當(dāng)控制信號復(fù)位時，光脈沖直通作為光開關(guān)的光柵晶體，被輸出。
[0012]根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法，其特征在于，所述光脈沖產(chǎn)生裝置包括:
[0013]脈沖半導(dǎo)體激光器:用來產(chǎn)生高斯光脈沖，每個光脈沖透射過晶體，進入循環(huán)光路。
[0014]根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法，其特征在于，所述循環(huán)光路及校準(zhǔn)裝置包括:
[0015]反射鏡，反射光束，構(gòu)成系統(tǒng)的循環(huán)回路；
[0016]校準(zhǔn)鏡，用于校準(zhǔn)光路。
[0017]根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，所述渦旋光束產(chǎn)生裝置包括:
[0018]螺旋相位板(SPP)，是一塊折射率固定的透明板，兩側(cè)的表面結(jié)構(gòu)分別為平面和螺旋相位面，它的厚度與角向方位角成正比。當(dāng)一束光通過這種透明板時，由于SPP的螺旋形表面使透射光束光程變化不同，引起的相位改變量也不同，使光束的拓撲荷數(shù)升高一階，透射光束變?yōu)闇u旋光束。
[0019]根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，所述光路控制裝置包括:
[0020]光柵晶體開關(guān)是利用激光的全息技術(shù)，將光纖光柵全息圖寫入鉭鈮酸鉀鋰(KLTN)晶體內(nèi)部，利用光纖光柵選定波長的開關(guān)。電激發(fā)的光纖布拉格光柵的全息圖被寫入到KLTN晶體內(nèi)部后，當(dāng)控制信號復(fù)位時，晶體是全透明的，此時光束直通晶體。當(dāng)控制信號置位時，光纖光柵的全息圖產(chǎn)生，入射光在光柵晶體處反射。光柵晶體開關(guān)具有低損耗特性，交換速度達到納秒量級，光反射率高達95%。
[0021]一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，該方法包括:
[0022]A.脈沖半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生高斯光脈沖，每個光脈沖透射過晶體，進入循環(huán)光路；
[0023]B.光脈沖透射過晶體后，經(jīng)過反射鏡與準(zhǔn)直鏡，將出射光匯聚為平行光，保證光束傳輸路徑的精確；
[0024]C.經(jīng)過螺旋相位版(SPP)，改變光束的軌道角動量態(tài)；
[0025]D.最后到達光束控制裝置，通過控制信號的置位復(fù)位改變晶體的投射反射特性，來控制光束繼續(xù)循環(huán)傳輸或輸出。
[0026]根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟A所述光脈沖產(chǎn)生的實現(xiàn)方案包括:
[0027]脈沖半導(dǎo)體激光器生成高斯光脈沖，每個光脈沖透射出晶體，進入循環(huán)光路；
[0028]根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟B所述循環(huán)光路的實現(xiàn)方案包括:
[0029]B1、脈沖半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的高斯脈沖經(jīng)過反射鏡，使光束傳播方向改變90度，經(jīng)過2個反射鏡后到達螺旋相位板；
[0030]B2、在循環(huán)光路中放置準(zhǔn)直鏡,將出射光匯聚為平行光，用于保證光束精確傳輸。[0031 ] 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟C所述渦旋光束產(chǎn)生裝置的實現(xiàn)方案包括:
[0032]準(zhǔn)直后的光束進入螺旋相位板，出射光束的拓撲荷數(shù)將升高一階，經(jīng)過準(zhǔn)直傳播至光柵晶體開關(guān)處；
[0033]根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟D所述光路控制裝置的實現(xiàn)方案包括:
[0034]D1、經(jīng)過螺旋相位板的光束傳播至光柵晶體開關(guān)處；
[0035]D2、當(dāng)控制信號置位時，對光束進行反射，進入循環(huán)光路，入射渦旋光束經(jīng)多次光路循環(huán)即其拓撲荷數(shù)多次升高直至為所需值；
[0036]D3、當(dāng)控制信號復(fù)位時，產(chǎn)生特定I態(tài)的渦旋光束被輸出。
[0037]由上述的技術(shù)方案可見，本發(fā)明提供一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過光路循環(huán)可實現(xiàn)任意軌道角動量態(tài)的產(chǎn)生，該系統(tǒng)和方法具有可調(diào)諧的功能，降低了系統(tǒng)成本，提高產(chǎn)生效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖2為本發(fā)明一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)的流程圖。
[0040]具體實施方法
[0041]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0042]本發(fā)明提供了一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)中光脈沖產(chǎn)生裝置產(chǎn)生所需的高斯光脈沖；產(chǎn)生的光脈沖經(jīng)過循環(huán)光路及校準(zhǔn)裝置進行光束校準(zhǔn)并傳輸；之后光束到達渦旋光束產(chǎn)生裝置，光束軌道角動量態(tài)被改變；最后光束進入光路控制裝置，通過控制信號控制光脈沖信號的繼續(xù)循環(huán)與輸出。
[0043]圖2為本發(fā)明基于一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖?，F(xiàn)結(jié)合圖2，對本發(fā)明一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行說明，具體如下:
[0044]本發(fā)明一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)包括:光脈沖產(chǎn)生裝置10、光路控制裝置11、循環(huán)光路及校準(zhǔn)裝置12、渦旋光束產(chǎn)生裝置13。
[0045]光脈沖產(chǎn)生裝置10用于產(chǎn)生高斯光脈沖信號，作為系統(tǒng)的輸入信號；
[0046]光路控制裝置11用于控制渦旋光束的在系統(tǒng)中的繼續(xù)循環(huán)傳輸或輸出；
[0047]循環(huán)光路及校準(zhǔn)裝置12用于系統(tǒng)循環(huán)光路的構(gòu)成以及光束準(zhǔn)直，保證光束能夠準(zhǔn)確經(jīng)過各裝置，循環(huán)傳輸，產(chǎn)生高質(zhì)量的軌道角動量態(tài)；
[0048]渦旋光束產(chǎn)生裝置14用于改變光束的軌道角動量態(tài)，每經(jīng)過一次螺旋相位板，出射光束的拓撲荷數(shù)將升高一階；
[0049]其中光脈沖產(chǎn)生裝置10包括脈沖半導(dǎo)體激光器。
[0050]脈沖半導(dǎo)體激光器10，主要用于產(chǎn)生系統(tǒng)所需單個高斯光脈沖信號；
[0051]光路控制裝置11包括光柵晶體110，控制信號111。
[0052]光柵晶體110，電激發(fā)的光纖布拉格光柵的全息圖被寫入到KLTN晶體內(nèi)部后，當(dāng)控制信號復(fù)位時，晶體是全透明的，此時光線直通晶體。當(dāng)控制信號置位時，光纖光柵的全息圖產(chǎn)生，其對入射光進行反射，將光反射到輸出端。
[0053]控制信號111用于控制光柵晶體110的置位和復(fù)位。
[0054]循環(huán)光路及校準(zhǔn)裝置12包括反射鏡120、121、122，校準(zhǔn)經(jīng)123、124。
[0055]反射鏡120、121、122，用于構(gòu)成系統(tǒng)的循環(huán)回路；
[0056]校準(zhǔn)經(jīng)123、124，用于光束校準(zhǔn)，保證光束精確傳輸。
[0057]渦旋光束產(chǎn)生裝置13螺旋相位板，改變光束的軌道角動量態(tài)。
[0058]圖2為本發(fā)明軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法的流程圖?，F(xiàn)結(jié)合圖2，對本發(fā)明軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法進程進行說明，具體如下:
[0059]步驟201:高斯脈沖發(fā)生裝置產(chǎn)生單個高斯光脈沖，透射出晶體，進入系統(tǒng)；
[0060]步驟202:高斯脈沖經(jīng)過循環(huán)光路及校準(zhǔn)裝置到達渦旋光束產(chǎn)生裝置；
[0061]步驟203:脈沖光束進入渦旋光束產(chǎn)生裝置，通過螺旋相位板改變軌道角動量態(tài)；
[0062]步驟204:被改變軌道角動量態(tài)的脈沖光束進入光路控制裝置，通過控制信號控制光束的繼續(xù)循環(huán)傳輸或輸出。
[0063]在該步驟中，對光脈沖進行控制的方法包括:
[0064]2041:光脈沖進入光路控制裝置，當(dāng)控制信號置位時，對光束進行反射，繼續(xù)進入循環(huán)光路進行軌道角動量態(tài)的改變；
[0065]2042:當(dāng)控制信號復(fù)位時，將特定軌道角動量態(tài)的光束輸出。
[0066]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法，用于產(chǎn)生任意軌道角動量態(tài)的渦旋光束，其特征在于，該系統(tǒng)包括:光脈沖產(chǎn)生裝置、循環(huán)光路及校準(zhǔn)裝置、渦旋光束產(chǎn)生裝置、光路控制裝置: 所述光脈沖產(chǎn)生裝置利用脈沖半導(dǎo)體激光器來產(chǎn)生高斯光脈沖； 所述循環(huán)光路及校準(zhǔn)裝置由三個反射鏡、兩個校準(zhǔn)棱鏡構(gòu)成，用于構(gòu)成循環(huán)光路與光束校準(zhǔn)； 所述渦旋光束產(chǎn)生裝置由螺旋相位板構(gòu)成，用于將高斯脈沖轉(zhuǎn)換為具有軌道角動量態(tài)的渦旋光束，每經(jīng)過一次螺旋相位板，出射光束的拓撲荷數(shù)將升高一階； 所述光路控制裝置由光柵晶體開關(guān)構(gòu)成，用來控制脈沖信號的循環(huán)與輸出。當(dāng)控制信號置位時，光脈沖被反射回循環(huán)光路繼續(xù)傳輸；當(dāng)控制信號復(fù)位時，光脈沖直通作為光開關(guān)的光柵晶體，被輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法，其特征在于，所述光脈沖產(chǎn)生裝置包括: 脈沖半導(dǎo)體激光器:用來產(chǎn)生高斯光脈沖，光脈沖透射過晶體，進入循環(huán)光路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)方法，其特征在于，所述循環(huán)光路及校準(zhǔn)裝置包括: 反射鏡，反射光束，構(gòu)成系統(tǒng)的循環(huán)回路； 校準(zhǔn)鏡，用于校準(zhǔn)光路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，所述渦旋光束產(chǎn)生裝置包括: 螺旋相位板(SPP)，是一塊折射率固定的透明板，兩側(cè)的表面結(jié)構(gòu)分別為平面和螺旋相位面，它的厚度與角向方位角成正比。當(dāng)一束高斯光通過這種透明板時，由于SPP的螺旋形表面使透射光束光程變化不同，弓丨起的相位改變量也不同，使光束的拓撲荷數(shù)升高一階，透射光束變?yōu)闇u旋光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，所述光路控制裝置包括: 光柵晶體開關(guān)是利用激光的全息技術(shù)，將光纖光柵全息圖寫入鉭鈮酸鉀鋰(KLTN)晶體內(nèi)部。電激發(fā)的光纖布拉格光柵的全息圖被寫入到KLTN晶體內(nèi)部后，當(dāng)控制信號復(fù)位時，晶體是全透明的，此時光線直通晶體。當(dāng)控制信號置位時，光纖光柵的全息圖產(chǎn)生，入射光在光柵晶體處反射。光柵晶體開關(guān)具有低損耗特性，交換速度達到納秒量級，光反射率高達 95%。
6.一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，該方法包括: A.脈沖半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生高斯光脈沖，光脈沖透射過晶體，進入循環(huán)光路； B.光脈沖透射過晶體后，經(jīng)過反射鏡與準(zhǔn)直鏡，將出射光匯聚為平行光，保證光束傳輸路徑的精確； C.經(jīng)過螺旋相位版(SPP)，改變光束的軌道角動量態(tài)； D.最后到達光束控制裝置，通過控制信號的復(fù)位置位改變晶體的透射反射特性，來控制光束繼續(xù)循環(huán)傳輸或輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟A所述光脈沖產(chǎn)生的實現(xiàn)方案包括:脈沖半導(dǎo)體激光器生成高斯光脈沖，每個光脈沖透射出晶體，進入循環(huán)光路。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟B所述循環(huán)光路的實現(xiàn)方案包括: B1、脈沖半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的高斯脈沖經(jīng)過反射鏡，使光束傳播方向改變90度，經(jīng)過2個反射鏡后到達螺旋相位板； B2、在循環(huán)光路中放置準(zhǔn)直鏡，用于將出射光匯聚為平行光，保證光束精確傳輸。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟C所述渦旋光束產(chǎn)生裝置的實現(xiàn)方案包括: 準(zhǔn)直后的光束進入螺旋相位板，出射光束的拓撲荷數(shù)將升高一階，經(jīng)過準(zhǔn)直傳播至光棚晶體開關(guān)處。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟D所述光路控制裝置的實現(xiàn)方案包括: D1、經(jīng)過螺旋相位板的光束傳播至光柵晶體開關(guān)處； D2、當(dāng)控制信號置位時，光柵晶體對光束進行反射，進入循環(huán)光路，入射渦旋光束經(jīng)多次光路循環(huán)即其拓撲荷數(shù)多次升高直至為所需值； D3、當(dāng)控制信號復(fù)位時，產(chǎn)生特定I態(tài)的渦旋光束被輸出。
【文檔編號】G02F1/03GK104007567SQ201410259588
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】尹霄麗, 郝季, 桑紅慶, 韓晶晶, 徐燦, 楊璇, 郭興蘭, 李莉, 忻向軍, 余重秀 申請人:北京郵電大學(xué)