本發(fā)明涉及基于軌道角動量的自由空間無線通信技術領域，更具體地，設計一種適用于自用空間中攜帶多個軌道角動量態(tài)太赫茲光束的解調裝置和方法。

背景技術：

隨著信息技術的持續(xù)快速發(fā)展，人們對高清視頻、圖像等的需求與日俱增，伴隨之的是數(shù)據(jù)容量的急劇增長，為了緩解急劇增長的通信容量需求，人們利用電磁波的偏振、頻率、時間、波長等傳統(tǒng)維度開發(fā)出了一系列提高通信系統(tǒng)容量的技術，例如偏振復用技術、頻分復用技術、時分復用技術、波分復用技術等。

隨著光子軌道角動量的提出和研究，軌道角動量態(tài)逐步被人們意識到可以作為新的維度來極大提高通信系統(tǒng)的容量和譜效率。軌道角動量作為一個全新的通信自由度可以極大地提高現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的容量和譜效率，而太赫茲波的頻率遠遠超過現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的載波頻率，基于軌道角動量的太赫茲無線通信系統(tǒng)將極大提高無限通信容量。軌道角動量態(tài)是電磁波電場在橫截面上攜帶渦旋相位因子exp(jlφ)的態(tài)，其中l(wèi)稱為軌道角動量的量子數(shù)(也稱為拓撲荷)，定義軌道角動量的特征參數(shù)，不同軌道角動量光束攜帶的拓撲荷不同，l的取值在實數(shù)空間，φ為角向因子。作為一種新興的通信維度，既可以將軌道角動量態(tài)的拓撲荷作為碼元來編碼信息，也可以將攜帶軌道角動量的光束作為載波來傳輸數(shù)據(jù)。理論上，由于軌道角動量的取值在無窮空間，所以可以利用軌道角動量態(tài)無限提高通信系統(tǒng)的容量和譜效率。目前，利用光束的軌道角動量已經可以實現(xiàn)80Tbit s^-1的傳輸速率。在自由空間無線通信中，太赫茲波的頻率遠高于現(xiàn)有無線通信的載波頻率，未來有望應用于超高容量無限通信系統(tǒng)中，進一步，軌道角動量可以提高自由空間無線通信系統(tǒng)的容量和譜效率。然而，如何對軌道角動量態(tài)進行快速準確地檢測，實現(xiàn)對多個軌道角動量的混合態(tài)有效地解調，是如今需要解決的一個技術問題。

測量攜帶軌道角動量光束的拓撲荷方法眾多，例如具有l(wèi)階折疊的叉形光柵既可以用于產生攜帶l階拓撲荷的渦旋光束(也稱為軌道角動量光束)，反過來也可以用于檢測渦旋光束攜帶的軌道角動量的階數(shù)，但是這種方法的檢測效率不高，一方面衍射光學器件的衍射效率降低了光束的光子利用率，另一方面檢測N個不同階數(shù)的渦旋光束就需要N個不同的叉形光柵或者更加復雜的二維光柵，同時完成一次測量就至少需要N個光子。類似的技術將衍射光學器件換成螺旋相位波板或者q波板的方法也有同樣的局限性。馬赫-曾德干涉儀方法可以實現(xiàn)在單光子層面上對渦旋光束軌道角動量的測量，但是使用這一系統(tǒng)測量N個軌道量子態(tài)至少需要N-1個臂的馬赫-曾德干涉儀，并且每個臂中將包含一個道威棱鏡，從理論上來說這種方法可以以100％的效率測量待入射光束的軌道角動量態(tài)，但是這種系統(tǒng)龐大復雜且不易搭建，不適合對大量軌道角動量光束進行測量。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種自由空間太赫茲波軌道角動量態(tài)的高效解調裝置和方法，目的在于實現(xiàn)對攜帶不同軌道角動量太赫茲渦旋光束的分離(檢測)，解決現(xiàn)有技術檢測效率不高，系統(tǒng)龐大復雜，搭建難度大等技術問題。

本發(fā)明利用基于對數(shù)極坐標到笛卡爾坐標光學變換的原理，將攜帶軌道角動量的環(huán)形強度光束變換為直線狀強度平面波，與此同時平面波的相位梯度與軌道角動量光束的拓撲荷成正比關系，利用單個聚焦透鏡就可以將變換后的平面波聚焦在焦平面不同的位置，從而實現(xiàn)對不同軌道角動量太赫茲渦旋光束的分離和檢測。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種基于光學坐標變換的太赫茲渦旋光束軌道角動量態(tài)解調裝置，包括在同一光路上的軌道角動量解調模塊和軌道角動量探測模塊；其中：

所述軌道角動量解調模塊用于將太赫茲渦旋光束的環(huán)狀光強的渦旋光束變換成傾斜平面波，傾斜程度正比與輸入太赫茲渦旋光束的拓撲荷；軌道角動量解調模塊由同一光路的光學坐標變換器件和相位糾正器件依序組成；其中，所述光學坐標變換器件和相位糾正器件均為純相位器件，光學坐標變換器件用于入射渦旋光束提供坐標變換所需的相位畸變，相位糾正器件用于糾正太赫茲渦旋光束經過坐標變換后的殘余相位畸變；

所述的軌道角動量探測模塊用于將不同傾斜平面波聚焦在焦平面處的不同位置，實現(xiàn)對不同傾斜平面波的分離，其由同一光路的聚焦透鏡和探測器件依序組成；其中，所述聚焦透鏡用于聚焦坐標變換后的太赫茲傾斜平面波，所述探測器件位于聚焦透鏡后焦面，用于探測不同太赫茲傾斜平面波聚焦之后的光斑，該光斑的位置與輸入太赫茲渦旋光束的拓撲荷成比例關系；根據(jù)光斑的位置，即可解調出輸入太赫茲渦旋光束的所攜帶的拓撲荷。

進一步的，所述光學坐標變換器件所提供的具體相位畸變分布為：

(x,y)是光學坐標變換器件所在平面的笛卡爾坐標系，a和b對應光學坐標變換的縮放因子，a的取值盡量使得變換后的光束尺寸小于坐標變換器件的大小，b的取值盡量保證變換后的光束居中，L為光學坐標變換器件與相位糾正器件之間的距離。

進一步的，所述相位糾正器件所提供的糾正相位分布為：

(u,v)是相位糾正器件所在平面的笛卡爾坐標系。

進一步的，所述光學坐標變換器件、相位糾正器件均為純相位器件，均可以由空間光調制器或照相膠片或折衍光學元件替換。

進一步的，所述光學坐標變換模塊、相位糾正模塊由對應厚度的相位板來提供所需相位，厚度Z由下式確定：

ΔΦ＝2π(n-1)Z/λ；

式中，λ為波長，n為折射率，變ΔΦ光束相位改變量。

進一步的，所述的相位板均由3D打印機制作生成。

基于上述的解調裝置，本發(fā)明還提出一種太赫茲渦旋光束軌道角動量態(tài)解調試驗裝置，其特征在于，還包括太赫茲渦旋光束產生模塊，其與所述軌道角動量解調模塊和所述軌道角動量探測模塊同一光路設置；其中：

所述太赫茲渦旋光束產生模塊用產生太赫茲渦旋光束，其由同一光路的光源、準直透鏡和螺旋相位波板依序組成；其中，所述光源為連續(xù)太赫茲光源，用于輸出高斯平面太赫茲光束至準直透鏡；所述準直透鏡用于將大發(fā)散角的高斯平面太赫茲光束準直，送入螺旋相位波板產生太赫茲渦旋光束；所述螺旋相位波板為純相位器件，用于對準直后的太赫茲光束附加一個或多個exp(jlφ)的相位因子；其中，l為拓撲荷，取值范圍為實數(shù)空間；φ為角向參數(shù)，取值范圍為0-2π。

相應地，本發(fā)明還提出一種太赫茲渦旋光束軌道角動量態(tài)的解調方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)將太赫茲渦旋光束輸出到光學坐標變換器件，使其攜帶相位畸變，環(huán)狀強度渦旋光束沿傳播方向逐步變換成直線強度光束，變換后的直線強度光束攜帶傾斜相位因子和殘余的畸變相位因子；

(2)相位糾正器件放置于距離光學坐標變換器件之后距離為L的位置，與光學坐標變換器件平行共軸放置；L的取值與光學坐標變換器件直徑尺度相近，以便于相位糾正器件正好處于環(huán)狀光束變?yōu)橹本€強度光束的平面，以抵消掉光學坐標后的光束所攜帶的殘余畸變相位因子，使直線光束沿傳播方向光束強度和相位保持穩(wěn)定；

(3)采用焦距f的聚焦透鏡對攜帶傾斜相位因子的直線強度光束聚焦，在焦平面形成聚焦光斑；

(4)測量光斑中心位置相對于光軸的距離P₁，定義經過光軸的點為坐標原點，根據(jù)公式P₁＝(λf/d)*l，求出太赫茲渦旋光束的所攜帶的拓撲荷；

l＝(λf/d)/P₁；

其中，λ為波長，P₁值可正可負坐標軸方向決定，d為光學坐標變換器件或相位糾正器件直徑，優(yōu)選直徑較小器件的直徑。

本發(fā)明基于光束坐標變換的方法，實現(xiàn)對攜帶不同軌道角動量態(tài)的太赫茲渦旋光束的解調(分離)，結構簡單，分離效率高，易于實現(xiàn)，可以實現(xiàn)單光子層面上對太赫茲渦旋光束軌道角動量的高效解調。

附圖說明

圖1是本發(fā)明具體實施的攜帶軌道角動量態(tài)的太赫茲渦旋光束的解調演示系統(tǒng)裝置圖；

圖2是本發(fā)明利用光學坐標變換的方法解調太赫茲渦旋光束軌道角動量并探測變換后光束聚焦光斑的原理示意圖；

圖3是本發(fā)明中對多個攜帶單一軌道角動量態(tài)的太赫茲渦旋光束的解調仿真實例。

在所用的附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1為太赫茲耿氏源；2為斬波器；3為準直透鏡；4為角動量發(fā)生器件；5為光學坐標變換器件；6為相位糾正器件；7為聚焦透鏡；8為探測器；9為三維步進電機；10為鎖相放大器；11為步進電機控制器；12為控制采集電腦。L為光學坐標變換器件和相位糾正期間之間的距離，f為聚焦透鏡的焦距，也即是探測器與聚焦透鏡的間隔。U_in為坐標變換器件前表面處入射的太赫茲渦旋光束光強分布，U_out1為相位糾正器件后表面處變換后的太赫茲波光強分布，U_out2為聚焦透鏡焦平面處聚焦光斑的光強分布。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的，技術方案及優(yōu)點更加清楚地闡明，以下結合附圖和實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

本發(fā)明基于軌道角動量分類法對光束軌道角動量進行解調，適用于自由空間軌道角動量無線通信系統(tǒng)。本發(fā)明選取0.3THz波段為研究對象，并利用3D打印機設計生成相位波板實施對光束相位的調控。本發(fā)明具體實施案例的裝置包括耿式振蕩器波源1、斬波器2、準直透鏡3、螺旋相位波板4、坐標變換波板5、相位糾正波板6、聚焦透鏡7、肖特基二極管探測器8、三維步進電機9、鎖相放大器10、步進電機控制器11、控制電腦12。耿式振蕩器1輸出0.3THz太赫茲波，輸出的光束為高斯光束，并經過準直透鏡3準直；為了驗證本發(fā)明的正確性，準直光束經過螺旋相位波板4產生攜帶軌道角動量態(tài)的太赫茲渦旋光束，渦旋光束經過坐標變換波板5和相位糾正波板6之后，太赫茲渦旋光束中不同軌道角動量轉變?yōu)椴煌木€動量，變換后的太赫茲渦旋光束經過聚焦透鏡7在其焦平面處形成不同位置的聚焦光斑，探測器8放置在三維位移臺9上，探測器輸出的探測數(shù)據(jù)經過鎖相方法器10獲取，鎖相放大器10與斬波器2配合使用可以提高信號的信噪比。

軌道角動量產生模塊的螺旋相位板對應的厚度分布為：

其中，φ為角向參數(shù)。平面高斯太赫茲光束經過螺旋相位板，其相位中附加了exp(jlφ)的相位因子，也即是攜帶有軌道角動量的光束。

光學坐標變換波板和相位糾正波板的厚度分布分別為：

其中，(x,y)和(u,v)分別是光學坐標變換波板處和相位糾正波板處的笛卡爾坐標系，a和b對應坐標變換的縮放因子，L為光學坐標變換波板與相位糾正波板之間的距離。攜帶軌道角動量的太赫茲渦旋光束經過坐標變換波板和相位糾正波板之后變?yōu)閿y帶傾斜相位因子的直線狀光束，也可以理解為太赫茲渦旋光束的軌道角動量轉變?yōu)榱搜啬骋环较虻木€動量。

本發(fā)明中利用3D打印技術可以非常簡單便捷地制作所需的相位波板，根據(jù)相位波板的厚度公式可以生成對應的STL模型，將STL模型導入到OBJET 30系列3D打印機中，即可打印出所需的相位波板，包括螺旋相位波板，坐標變換波板和相位糾正波板。

為了進一步驗證這一調制裝置的實用性，結合圖2說明，依次選取螺旋相位波板4產生拓撲荷從-3到+3的單一軌道角動量光束，并利用探測裝置8和9對入射太赫茲渦旋光束進行探測，測得光束變換波板5前表面的二維光強分布U_in，拓撲荷從-3到+3的軌道角動量光束經過坐標變換波板5和相位糾正波板6之后的光束二維強度分布U_out1也由探測裝置88和9測得，攜帶拓撲荷從-3到+3的軌道角動量光束經過坐標變換之后攜帶了對應的不同線動量，經過聚焦透鏡7在其焦平面處形成不同位置的聚焦光斑，探測裝置8置于聚焦透鏡7焦點處依次測得聚焦的二維光強分布U_out2。

根據(jù)實驗所述，拓撲荷從-3到+3的軌道角動量光束光強分布如附圖3中第一行，其光強分布符合軌道角動量光束空心光強的分布特點(l＝0階除外)，經過坐標變換波板5和相位糾正波板6之后光束的強度分布如附圖3中第二行，其光強呈直線狀，此時的光束也即是傾斜平面波分布，變換之后的光束經過器件7在其后焦面處形成聚焦光斑，如附圖3第三行所示，聚焦光斑延縱向依次分布，其強度最大值位置定義為光斑中心，光斑中心分布正相關與入射軌道角動量光束的拓撲荷l。根據(jù)附圖3中第三行結果，不同拓撲荷的軌道角動量光束在空間中實現(xiàn)了分離，證明這一裝置和方法可以對多個混合軌道角動量光束實現(xiàn)有效分離和測量，檢測效率高，而且系統(tǒng)簡單小巧、構建方便，有望在復雜軌道角動量通信系統(tǒng)中得到應用。

本領域的技術人員容易理解，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所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。