基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于法布里?珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取方法和系統(tǒng)，通過對復(fù)用軌道角動量態(tài)進行類似法布里?珀羅干涉的操作，使得不同本征態(tài)的干涉峰在方位角度上相互獨立的區(qū)分出來。因而，只需要調(diào)整相應(yīng)的方位角度，就能一次性地提取出高純度的軌道角動量本征態(tài)。本發(fā)明一方面能夠大幅提高干涉譜的角分辨率，保證提取的精度和空間結(jié)構(gòu)的完整，一方面提取系統(tǒng)簡單，不需要復(fù)雜的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)有的光通信技術(shù)具有很好的兼容性和適用性。
【專利說明】
基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取方法和系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種從復(fù)用軌道角動量態(tài)中提取某個本征態(tài)的方法和系統(tǒng)，屬于光學 及無線通信的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信業(yè)務(wù)量的不斷增長，大容量的通信方案成為了近期研究的熱點。人們可 以通過調(diào)制獨立可控的物理量(如光子的強度、相位、頻率和偏振)來實現(xiàn)信號空間煒度的 擴展，增加光通信系統(tǒng)的吞吐量。角動量正是這樣的一個物理量。1989年，Grynberg等人指 出角動量又可分為自旋角動量（Spin Angular Momentum, SAM)和軌道角動量（Orbit Angular Momentum,0AM)，其中自旋角動量與光子的極化特性有關(guān)，軌道角動量與光子的空 間分布有關(guān)。1992年，Alien等人證實在包含exp(il 9)相位因子的光束中，每個光子具有仿 的軌道角動量，其中1為拓撲荷(Topological Charge，TC)。進一步的，Alien等人指出拉蓋 爾-高斯(Laguerre-Gaussian beam,LG)光是最典型的攜帶軌道角動量的光束。
[0003] 由于軌道角動量態(tài)的1取值可從負無窮至正無窮的任意整數(shù)值，并且不同1值的軌 道角動量態(tài)之間相互正交，因此軌道角動量可作為一種新型的自由度，極大地提升通信系 統(tǒng)的傳輸速率和頻帶利用率。隨著軌道角動量在自由空間光通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，軌道 角動量態(tài)的提取方法(包括檢測和分離)也逐漸被人們關(guān)注。
[0004] 1994年，Beijersbergen等人最早使用螺旋相位板（Spiral Phase Plate,SPP)來 產(chǎn)生和檢測軌道角動量態(tài)光束，這種方法概念簡單，但是要求納米量級的精確螺旋面，因此 在制作工藝上有一定的難度，并且在實際操作中每個OAM態(tài)光束的產(chǎn)生和檢測都需對應(yīng)一 組特定的SPP，使得整個系統(tǒng)不具備良好的靈活性。隨著空間光調(diào)制器（Spatial Light m〇dulat〇r，SLM)的應(yīng)用，計算全息圖成為了產(chǎn)生和檢測軌道角動量態(tài)的常用方法，與傳統(tǒng) 全息圖的產(chǎn)生方式相比，空間光調(diào)制器能夠更加快捷地實現(xiàn)軌道角動量本征態(tài)的產(chǎn)生和檢 測，但其價格十分昂貴。2002年，Jonathan Leach等人提出了一種基于馬赫-曾德爾干涉儀 的分離方法，通過在兩個干涉臂中加入道威棱鏡來控制不同本征態(tài)光束的相長干涉和相消 干涉，最終實現(xiàn)復(fù)用軌道角動量態(tài)光束的分離。該方法雖然在理論上有著100%的分離效 率，但是在工程實現(xiàn)上有著一定的難度，需要通過復(fù)雜的系統(tǒng)級聯(lián)和精確的參數(shù)控制才能 實現(xiàn)多個軌道角動量態(tài)的分離。2010年，Berkhout等人提出了一種基于坐標變換實現(xiàn)復(fù)用 軌道角動量態(tài)分離的方法。該方法將具有螺旋相位的軌道角動量態(tài)光轉(zhuǎn)化成具有水平相位 梯度的平面光，之后通過一個透鏡實現(xiàn)不同平面波在焦平面處的分離。隨后，Mohammad等人 改進了這一方法，進一步提高了軌道角動量態(tài)分離的效率和準確度。這種分離方案的實現(xiàn) 結(jié)構(gòu)簡單，同時具有良好的分辨率，但是其分離過程需要使用價格昂貴的光學設(shè)備，并且分 離出的光束不再具備渦旋光束的特性。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于解決上述現(xiàn)有提取方法的不足，提供了一種基于法布里-珀羅干 涉的軌道角動量態(tài)提取方法，該方法一方面保持了傳統(tǒng)干涉提取方法的優(yōu)勢，不會對提取 出的軌道角動量態(tài)的空間結(jié)構(gòu)造成破壞；另一方面通過法布里-珀羅干涉原理極大地提高 了軌道角動量干涉譜的角分辨率，進而實現(xiàn)了一次性地對軌道角動量態(tài)的高純度提取。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種基于法布里-珀羅干涉的軌道 角動量態(tài)提取方法，該方法包括如下步驟：
[0007] 步驟1:根據(jù)需要提取的軌道角動量本征態(tài)的拓撲荷值，設(shè)置相應(yīng)的方位角角度值 α。將復(fù)用軌道角動量態(tài)光束經(jīng)過方位角α的延遲，使得不同軌道角動量本征態(tài)分別經(jīng)歷與 各自拓撲荷值相關(guān)的相位延遲exp(ila)。
[0008] 步驟2:根據(jù)提取純度的要求，設(shè)置相應(yīng)的分離比例P。經(jīng)過方位角延遲的復(fù)用軌道 角動量態(tài)光束以I-P的比例出射，其余部分的光束再次經(jīng)過與步驟1相同的方位角延遲。
[0009] 步驟3:保持相同的參數(shù)a和P，重復(fù)步驟2的操作直到第k次。將k次比例出射的光束 疊加干涉，此時干涉得到的光束即為提取出的軌道角動量態(tài)光束。其中k類似一個光學腔光 束在其中進行循環(huán)，每次都按I-P的比例出射，那么循環(huán)k次后，就會有k個出射的光束，這些 光束疊加就是我們的結(jié)果。
[0010] 進一步的，本發(fā)明方法通過調(diào)整方位角參數(shù)a，提取出不同的軌道角動量態(tài)。
[0011] 進一步的，本發(fā)明方法提取出的軌道角動量態(tài)具有很高的純度，通過控制分離比 例參數(shù)P，對提取的純度進行控制。
[0012] 進一步的，本發(fā)明方法提取出的軌道角動量態(tài)具有完整的空間結(jié)構(gòu)。
[0013] 進一步的，本發(fā)明方法是在小范圍偏離理論方位角參數(shù)a情況下，仍能提取出高純 度的軌道角動量本征態(tài)。
[0014] 本發(fā)明還提供了一種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取系統(tǒng)，該系統(tǒng)包 括軌道角動量態(tài)耦合模塊、方位角延遲模塊、比例分束模塊和多光束干涉模塊。
[0015]軌道角動量態(tài)耦合模塊的功能是:將入射的復(fù)用軌道角動量態(tài)光束耦合進入實現(xiàn) 法布里-珀羅干涉的光學腔中，并防止其從腔體輸入端逃逸。
[0016]方位角延遲模塊的功能是:對光學腔中的復(fù)用軌道角動量態(tài)光束進行一個固定方 位角度的延遲。
[0017]比例分束模塊的功能是：將經(jīng)過方位角延遲模塊的光束按照一定的比例進行分 束，一部分進入多光束干涉模塊，一部分繼續(xù)在光學腔中循環(huán)進入方位角延遲模塊。
[0018] 多光束干涉模塊的功能是:完成從比例分束模塊出射光束的干涉，當干涉光束的 能量達到一定閾值時，使之出射腔體。
[0019] 本發(fā)明系統(tǒng)的核心部分類似于一個光學腔，可以實現(xiàn)復(fù)用軌道角動量態(tài)光束的法 布里-珀羅干涉過程，并且系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，不需要復(fù)雜的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠一次性的提取出 所需的軌道角動量態(tài)光束。
[0020] 有益效果：
[0021] 1、本發(fā)明是以法布里-珀羅干涉為基本原理的復(fù)用軌道角動量態(tài)提取方法，通過 對復(fù)用軌道角動量態(tài)光束的多次干涉，實現(xiàn)不同軌道角動量態(tài)光束的提取。
[0022] 2、本發(fā)明能夠大幅提高干涉譜的角分辨率，通過調(diào)整方位角延遲模塊中的角度參 數(shù)，就能提取出不同的軌道角動量態(tài)。
[0023] 3、本發(fā)明提取出的軌道角動量態(tài)具有很高的純度，并且可以通過控制分束模塊的 比例系數(shù)，對提取的純度進行控制。
[0024] 4、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)用軌道角動量態(tài)的非破壞提取，即提取出的軌道角動量態(tài) 具有完整的空間結(jié)構(gòu)。
[0025] 5、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，不需要復(fù)雜的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠一次性的提取出所需的軌道角 動量態(tài)光束。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
[0027] 圖2為本發(fā)明在不同參數(shù)下的軌道角動量態(tài)干涉譜。
[0028] 圖3為本發(fā)明在不同參數(shù)下的提取結(jié)果和純度的數(shù)值仿真圖。
[0029] 圖4為本發(fā)明在不同參數(shù)下，復(fù)用軌道角動量態(tài)干涉譜的角分辨率的數(shù)值仿真圖。
[0030] 圖5為本發(fā)明在偏離理論方位角情況下(P = O. 99)提取軌道角動量本征態(tài)的數(shù)值 仿真圖。
[0031] 圖6為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0033]如圖1所示，本發(fā)明提供了了一種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取方 法，該方法的具體技術(shù)方案包括如下步驟：
[0034]步驟1:根據(jù)需要提取的軌道角動量本征態(tài)A〇eXp(il()0)的拓撲荷值，設(shè)置相應(yīng)的方 位角角度值α，且
η個OAM本征態(tài)復(fù)用的光束，記為.
'在經(jīng)過方位角α的 延遲后，可以表示爻
[0035] 步驟2:根據(jù)提取純度的要求，設(shè)置相應(yīng)的分離比例Ρ。一般的，P值越大提取的軌道 角動量的純度越高。經(jīng)過方位角α延遲的復(fù)用軌道角動量態(tài)光束以I-P的比例出射，出射光 束的表達式為<
;其余部分的光束再次經(jīng)過與步驟1相同的方 位角延遲，那么這部分光束可以表示為
[0036] 步驟k:重復(fù)步驟2的操作直到第k次，此時的出射光束可以表示為
>不難發(fā)現(xiàn)，k次出射的光束具有等比的關(guān)系，于是k路光 束疊加干涉后的光束可以表示為：
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] 其中m為任意整數(shù)值。
[0041] 因此，如果復(fù)用態(tài)中每個本征態(tài)的拓撲荷值均不為其它拓撲荷值的約數(shù)，那么疊 加干涉后的光束即為所要提取的軌道角動量態(tài)A〇 eXp(il()0)。
[0042] 本發(fā)明的方法是以法布里-珀羅干涉為基本原理的復(fù)用軌道角動量態(tài)提取方法， 通過對參數(shù)α和P的控制，實現(xiàn)對不同軌道角動量本征態(tài)的提取，并保證提取出的軌道角動 量態(tài)具有完整的空間結(jié)構(gòu)。
[0043] 本發(fā)明提供了一種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取方法，該方法對應(yīng) 的干涉譜具有極高的角分辨率，因而提取的軌道角動量態(tài)具有極高的純度。由于出射的干 涉光束表達式
，那么其光場強度的表達 式可以化簡為：
[0044]
[0045] 根據(jù)上述公式可以得到在不同參數(shù)P值下，方位角α與光場強度I之間的函數(shù)關(guān)系， 如圖2所示。不難發(fā)現(xiàn)，隨著參數(shù)P的增大，軌道角動量態(tài)光束干涉譜的角分辨率也隨之提 高。如果選取合適的參數(shù)P，復(fù)用軌道角動量態(tài)光束中的每個本征態(tài)分量就會在不同的方位 角α上形成相互獨立的干涉峰，這樣通過調(diào)節(jié)方位角參數(shù)α，即可一次性地提取出高純度的 軌道角動量本征態(tài)。對于1 = 3,5，7的復(fù)用軌道角動量態(tài)，其在不同參數(shù)α和ρ下的提取結(jié)果 和純度如圖3所示，不同拓撲荷值對應(yīng)的軌道角動量態(tài)干涉譜的角分辨率如圖4所示。
[0046] 本發(fā)明的提取方法在一定的誤差范圍內(nèi)也能保持良好的提取效果。只要選取合適 的參數(shù)P，該方法就依然能在小范圍偏離理論方位角參數(shù)α情況下，提取出高純度的軌道角 動量本征態(tài)，只是提取出的能量會有一定的減小，如圖5所示。這是由于當軌道角動量態(tài)干 涉譜的角分辨率達到一定程度時（由參數(shù)P控制），不同軌道角動量本征態(tài)在方位角上幾乎 完全獨立。因此，在提取某個軌道角動量本征態(tài)時，哪怕出現(xiàn)一些方位角度的偏離，也不會 引入其它的本征態(tài)成分，只是無法提取出強度最大的干涉光束。
[0047] 如圖6所示，本發(fā)明還提供了一種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取系 統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心部分類似于一個光學腔，可以實現(xiàn)復(fù)用軌道角動量態(tài)光束的法布里-珀羅 干涉過程。該軌道角動量態(tài)提取系統(tǒng)的具體技術(shù)方案包括:軌道角動量態(tài)耦合模塊、方位角 延遲模塊、比例分束模塊和多光束干涉模塊。
[0048]軌道角動量態(tài)耦合模塊的功能是:將具有空間結(jié)構(gòu)的軌道角動量態(tài)光束耦合進入 實現(xiàn)法布里-珀羅干涉的光學腔中，并且保證腔體內(nèi)部的光束不會從腔體的輸入端逃逸。
[0049] 方位角延遲模塊的功能是:對光學腔中的復(fù)用軌道角動量態(tài)光束進行一個固定方 位角度的延遲，其核心器件是一塊角度可調(diào)的道威棱鏡。道威棱鏡起到一個光束旋轉(zhuǎn)器的 作用，它可以在不偏離光束的情況下，完成對光束的旋轉(zhuǎn)。當?shù)劳忡R旋轉(zhuǎn)f角度時，通過 其的平行光束將會旋轉(zhuǎn)α的方位角度。
[0050] 比例分束模塊的功能是：將經(jīng)過方位角延遲模塊的光束按照一定的比例進行分 束，一部分進入多光束干涉模塊，一部分繼續(xù)在光學腔中循環(huán)進入方位角延遲模塊。其核心 器件是一個透射率較高，反射率較低的平面鏡。當光束入射時，比例為P的光束透過該平面 鏡，繼續(xù)在腔體中循環(huán);比例為l-p的光束經(jīng)該平面鏡反射，從腔體中射出。
[0051 ]多光束干涉模塊的功能是:完成從比例分束模塊出射光束的干涉，當干涉光束的 能量達到一定閾值時，使之出射腔體。該模塊設(shè)定了參與干涉的光束數(shù)量，保證了多光干涉 的有效性，提高了提取出的軌道角動量態(tài)光束的質(zhì)量。
[0052]本發(fā)明系統(tǒng)的腔體滿足諧振條件，即從腔中某一點出發(fā)的波，經(jīng)往返一周回到原 來的位置時，應(yīng)與初始出發(fā)的波同相位，即腔的光學長度為/j = <_，其中q為整數(shù)，λ為波長。 [0053]本發(fā)明系統(tǒng)的腔體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，理想情況下的該系統(tǒng)腔體結(jié)構(gòu)的ABCD矩陣為：
[0054]
[0055] 其中4表示傳輸距離，Tl表示道威棱鏡的折射率，P表示透射系數(shù)。
[0056] 因為士(/?+ D) =: /) '且透射系數(shù)滿足-1<ρ<1，所以這種腔體結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。
[0057] 本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，不需要復(fù)雜的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠一次性的提取出所需的軌 道角動量態(tài)光束。
[0058]本發(fā)明系統(tǒng)只需要調(diào)整方位角延遲模塊中道威棱鏡的放置角度，就能實現(xiàn)不同軌 道角動量態(tài)光束的提取。
【主權(quán)項】
1. 一種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取方法，該方法包括如下步驟： 步驟1:根據(jù)需要提取的軌道角動量本征態(tài)的拓撲荷值，設(shè)置相應(yīng)的方位角角度值α，將 復(fù)用軌道角動量態(tài)光束經(jīng)過方位角α的延遲，使得不同軌道角動量本征態(tài)分別經(jīng)歷與各自 拓撲荷值相關(guān)的相位延遲exp(iΙα); 步驟2:根據(jù)提取純度的要求，設(shè)置相應(yīng)的分離比例Ρ，經(jīng)過方位角延遲的復(fù)用軌道角動 量態(tài)光束以1-Ρ的比例出射，其余部分的光束再次經(jīng)過與步驟1相同的方位角延遲； 步驟3:保持相同的參數(shù)α和Ρ，重復(fù)步驟2的操作直到完成k次，并將k次比例出射的光束 疊加干涉，此時干涉得到的光束即為提取出的軌道角動量態(tài)光束。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取方法，其特征 在于:所述方法通過調(diào)整方位角參數(shù)α，提取出不同的軌道角動量態(tài)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取方法，其特征 在于:所述方法提取出的軌道角動量態(tài)具有很高的純度，通過控制分離比例參數(shù)Ρ，對提取 的純度進行控制。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取方法，其特征 在于:所述方法提取出的軌道角動量態(tài)具有完整的空間結(jié)構(gòu)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取方法，其特征 在于:所述方法在小范圍偏離理論方位角參數(shù)α情況下，仍能提取出高純度的軌道角動量本 征態(tài)。6. -種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)包括： 軌道角動量態(tài)耦合模塊、方位角延遲模塊、比例分束模塊和多光束干涉模塊； 軌道角動量態(tài)耦合模塊是將入射的復(fù)用軌道角動量態(tài)光束耦合進入法布里-珀羅干涉 的光學腔中，并防止其從腔體輸入端逃逸； 方位角延遲模塊是對光學腔中的復(fù)用軌道角動量態(tài)光束進行一個固定方位角度的延 遲； 比例分束模塊是將經(jīng)過方位角延遲模塊的光束按照一定的比例進行分束，一部分進入 多光束干涉模塊，一部分繼續(xù)在光學腔中循環(huán)進入方位角延遲模塊； 多光束干涉模塊是完成從比例分束模塊出射光束的干涉，當干涉光束的能量達到一定 閾值時，使之出射腔體。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取系統(tǒng)，其特征 在于:所述系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)是一個光學腔，通過腔體內(nèi)光束的多次循環(huán)，實現(xiàn)復(fù)用軌道角動 量態(tài)光束的法布里-珀羅干涉過程。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于法布里-珀羅干涉的軌道角動量態(tài)提取系統(tǒng)，其特征 在于:所述系統(tǒng)只需要調(diào)整方位角延遲模塊中道威棱鏡的放置角度，就能實現(xiàn)不同軌道角 動量態(tài)光束的提取。
【文檔編號】G02F1/21GK105938285SQ201610368723
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】趙生妹, 顧曉帆
【申請人】南京郵電大學