基于角向二值化相位的轨道角动量光梳生成方法与系统与流程

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1.本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于角向二值化相位的轨道角动量光梳生成方法与系统。


背景技术：

2.与宏观物体类似，微观粒子如光子也携带有角动量。光子携带的角动量包括自旋角动量(spin angular momentum,sam)和轨道角动量(orbital angular momentum,oam)两种形式。其中，sam对应于宏观的左右旋圆偏振态；oam对应于光束的螺旋波前。研究表明，复振幅中包含有螺旋相位因子的光束为涡旋光束，其中l为拓扑电荷，也称为oam模式阶数，为角向坐标。涡旋光束的每一个光子均携带有值为的oam(为约化普朗克常量)，螺旋相位使其光束中心存在相位奇点，使其横截面光强分布呈环形。拓扑电荷l是涡旋光束的本征值，可以取任何整数值，决定了涡旋光束携带有oam的多少，此时的拓扑电荷l对应于涡旋光束的oam模式。由于oam自由度的引入，涡旋光束在大容量光通信、旋转体探测、光镊和引力波探测等诸多领域具有极高的应用价值。
3.以往的研究提供了多种涡旋光束的生成方案，主要包括激光腔内直接生成和腔外调制两种方式。但是，上述方法大多只关注如何产生单一或简单的多路复用oam模式。实际上，生成携带有一系列等模式间隔、等模式强度的多模复用oam光束，即oam光梳，对于当前的实际应用场景具有重要的意义。例如，将信息加载于基模高斯光束再转化为oam光梳，可以实现传输信号的单通道对多通道广播；oam光梳还可以作为全息加密和解密的灵活密钥。然而，现有的oam谱剪裁技术或oam光梳的生成方案往往存在光栅计算时间长、系统复杂或衍射效率低等问题。因此，研发一种简单、灵活、实用的方法来选择性地生成oam梳，是该领域亟需解决的问题之一。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明公开了一种基于角向二值化相位的oam光梳生成方法与系统。
5.本发明的基于角向二值化相位的oam光梳生成方法，通过合理的设计衍射光栅，可以将一束基模高斯光束调制为携带有一系列等oam模式间隔、等oam模式强度的多模复用oam光束，即oam光梳。
6.所述衍射光栅为0
‑
π角向二值化相位光栅，沿着角向坐标方向为纯相位光栅引入相位转折点，在该转折点处存在0至π或π至0的相位跃变。通过设定合适的相位转折点数目及其角向位置坐标，当基模高斯光束入射时，可以生成一系列包含不同oam模式范围和不同oam模式间隔的oam光梳。
7.本发明的基于角向二值化相位的oam光梳生成系统包括激光器、起偏器、液晶空间光调制器、平凸透镜和面阵探测器。
8.所述激光器，用以产生基模高斯光束；
9.所述起偏器，置于激光器后方的激光光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；
10.所述液晶空间光调制器，置于起偏器后方的激光光路中，其加载本发明的角向二值化相位光栅，将水平线偏振基模高斯光束转化为包含一系列不同oam模式，且等oam模式间隔、等oam模式强度的多模复用oam光束，即oam光梳；
11.所述平凸透镜的焦距为f，置于液晶空间光调制器后方且距液晶空间光调制器距离为f的激光光路中，用于对光场做傅里叶变换，以便接下来面阵探测器对远场oam光梳的观测；
12.所述面阵探测器置于平凸透镜后方的激光光路中，且与平凸透镜的距离为f，用于观测生成的oam光梳。
13.本发明具有以下有益效果：
14.(1)本发明的基于角向二值化相位的oam光梳生成方法，沿角向坐标方向为纯相位光栅引入相位转折点，通过合理设置角向相位转折点的数目与角向位置坐标，可将入射基模高斯光束调制为包含一系列不同oam模式，且等oam模式间隔、等oam模式强度的多模复用oam光束，即oam光梳，在多态轨道角动量键控通信和全息信息加密等领域具有广阔的应用前景；
15.(2)本发明的基于角向二值化相位的oam光梳生成系统中，oam光梳的生成由一系列根据所需oam光梳的oam模式范围及模式间隔要求而特殊设计的角向二值化相位光栅实现，结构简单，稳定性强。
附图说明：
16.图1为本发明的角向二值化相位光栅在单一周期的角向相位分布图；
17.图2为基于本发明设计的一种角向二值化相位光栅，及其生成的oam光梳的强度分布和oam谱；
18.图3为本发明的基于角向二值化相位的oam光梳生成系统的装置示意图，其中1
‑
激光器，2
‑
单模光纤，3
‑
准直镜，4
‑
起偏器，5
‑
液晶空间光调制器，6
‑
平凸透镜，7
‑
面阵探测器；
19.图4为基于本发明的方法与系统实际生成的oam梳，其由64种oam模式组成，oam模式范围为
‑
63～ 63，oam模式间隔为δl＝2；
20.图5为基于本发明的方法与系统实际生成的oam梳，其由32种oam模式组成，oam模式范围为
‑
62～ 62，oam模式间隔为δl＝4。
具体实施方式：
21.下面结合附图并实施例，对本发明做一详细的描述。
22.下面简要介绍本发明的基于角向二值化相位的oam光梳生成方法的原理。
23.达曼光栅是一种相位在笛卡尔坐标系中具有沿x或y方向周期性的0
‑
π二值化变化的纯相位光栅。通过合理地设定相位转折点数目及对应变化方向的位置坐标，可以在空间位置上将入射光束展开，把一路入射光束分成多路等强度和等衍射角间隔的光束，从而形成激光束阵列。类比于达曼光栅，在极坐标系中为相位在角向方向引入0
‑
π交替变化，如附图1所示，通过设定合适的相位转折点数目及其角向位置坐标，可以将入射基模高斯光束调制为包含一系列等oam模式间隔、等oam模式强度的多模复用oam光束，即oam光梳。
24.这种相位在极坐标系中沿角向0
‑
π二值化变化的纯相位光栅称作角向二值化相位
光栅，其相位分布函数可以表示为：
[0025][0026]
其中，k表示在0～2π范围内角向相位转折点的数目，为角向坐标，表示第κ个相位转折点的角向位置坐标。设角向二值化相位光栅的透过率函数为对该透过率函数做衍射积分计算，可以得到理想情况下平面波经角向二值化相位光栅后的远场衍射分布为：
[0027][0028]
其中，l表示oam模式阶数；c
l
为复系数，其为角向相位转折点数组的函数，表示l阶oam模式分量的复振幅，|c
l
|2即为l阶oam模式分量的强度。上式表明，引入角向二值化相位可有效地生成多模混合oam光束，且该光束包含的各个oam分量的强度由角向相位转折点数组来决定。
[0029]
角向相位转折点数组的数值解可以通过gs算法、随机并行梯度下降算法等迭代优化算法得到。在最优的求解过程中，需要设置两个评价参数，分别是效率η和均匀度u。其中，效率定义为η＝(σ
l∈l
|c
l
|2)/σ
l∈z
|c
l
|2，其中l代表所需oam光梳的oam模式集，z代表整数集；均匀度定义为u＝2min{|c
l
|2}/(max{|c
l
|2} min{|c
l
|2})，其中l∈l，min{}和max{}分别代表取最小值和取最大值。通过迭代优化找到衍射效率η最大、均匀度u最大时角向相位转折点坐标的数值解，进而得到角向相位转折点数组此外，亦可根据文献[appl.opt.34(26),5961(2995)]给出0
‑
π二值化达曼光栅相位转折点的数值解，通过构建直角坐标系到极坐标系的映射关系得到。
[0030]
用于生成oam光梳的0
‑
π角向二值化相位光栅，根据所需oam光梳的oam模式范围及模式间隔，通过计算机构建相应的相位转折点数目及其角向位置坐标的数值解得到。计算获得衍射光栅之后，经数值仿真计算即可得到入射基模高斯光束的远场衍射。附图2给出了一种按照上述方法设计的角向二值化相位光栅，及其生成的oam光梳的强度分布和oam谱。从附图2所示的oam谱可以看出，入射平面波经该角向二值化相位光栅衍射后，生成了oam模式阶数范围为
‑
4～4且oam模式间隔为1的包含9种等强度oam模式的oam光梳。生成该oam光梳的角向二值化相位光栅共有6个相位转折点，对应的角向位置坐标分别是0、0.4190、0.8087、1.7963、2.8693和3.7127。此时，所生成oam光梳的效率和均匀度分别为78.32％和99.61％。
[0031]
本发明的基于角向二值化相位的oam光梳生成系统如附图3所示，包括激光器、起偏器、液晶空间光调制器、平凸透镜和面阵探测器。其中：所述激光器，用以产生基模高斯光束；所述起偏器，置于激光器后方的激光光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；所述液晶空间光调制器，置于起偏器后方的激光光路中，其加载本发明的角向二值化相位光栅，将水平线偏振基模高斯光束转化为包含一系列不同oam模式、且等oam模式间隔、等oam模式强度的多模复用oam光束，即oam光梳；所述平凸透镜的焦距为f，置于液晶空间光调制器后方且距液晶空间光调制器距离为f的激光光路中，用于对光场做傅里叶变换，以便接下来面阵探测器对衍射光场的观测；所述面阵探测器置于平凸透镜后方的激光光路中，且与平凸透镜的距离为f，用于观测生成的oam光梳。
[0032]
下面结合两个实施例，简要介绍本发明的基于角向二值化相位的oam光梳生成方
法与系统的调制性能。
[0033]
实施例1：生成oam模式范围：
‑
63～ 63，oam模式间隔δl＝2的oam光梳
[0034]
在本实施例中，根据oam光梳的oam态范围及其模式间隔，采用计算机数值计算得到角向二值化相位光栅的相位分布包含70个角向相位转折点，且的组成为:
[0035]
{0,0.0654,0.1095,0.1854,0.2550,0.2996,0.3825,0.4433,0.5277,0.6118,0.6456,0.8074,0.9000,1.3369,1.5495,1.6505,1.7605,1.8155,1.8639,1.9960,2.0368,2.1219,2.2730,2.4053,2.4895,2.5937,2.6624,2.7229,2.7530,2.8186,2.8867,2.9336,2.9799,3.0406,3.0747,3.1416,3.2070,3.2511,3.3270,3.3966,3.4412,3.5241,3.5849,3.6693,3.7534,3.7872,3.9490,4.0416,4.4785,4.6911,4.7921,4.9021,4.9571,5.0055,5.1376,5.1784,5.2635,5.4146,5.5469,5.6311,5.7353,5.8040,5.8645,5.8946,5.9602,6.0283,6.0752,6.1215,6.1822,6.2163}
[0036]
将该角向二值化相位光栅加载在液晶空间光调制器上，得到入射基模高斯光束经液晶空间光调制器调制后的远场衍射，即生成的oam光梳。通过螺旋相位反转换法对实验所获oam光梳的oam模式进行分析，得到本实施例生成的oam光梳的oam谱，如附图4所示，生成的oam光梳包含64种oam态(即梳齿)，均匀度达到92.04％，与理论仿真吻合较好。
[0037]
实施例2：生成oam模式范围：
‑
62～ 62，oam模式间隔δl＝4的oam光梳
[0038]
在本实施例中，根据oam光梳的oam态范围及其模式间隔，采用计算机数值计算得到角向二值化相位光栅的相位分布包含68个角向相位转折点，且的组成为:
[0039]
{0,0.1740,0.2796,0.3459,0.4191,0.5441,0.6151,0.6626,0.7245,0.7813,1.0370,1.0939,1.2598,1.3609,1.3858,1.4618,1.5205,1.5708,1.7448,1.8504,1.9167,1.9899,2.1149,2.1859,2.2334,2.2952,2.3521,2.6078,2.6647,2.8306,2.9317,2.9566,3.0326,3.0913,3.1416,3.3156,3.4212,3.4875,3.5607,3.6857,3.7567,3.8042,3.8660,3.9229,4.1786,4.2355,4.4014,4.5025,4.5273,4.6034,4.6621,4.7124,4.8864,4.9920,5.0583,5.1315,5.2565,5.3275,5.3750,5.4368,5.4937,5.7494,5.8063,5.9722,6.0733,6.0981,6.1742,6.2329}
[0040]
将该角向二值化相位光栅加载在液晶空间光调制器上，得到入射基模高斯光束经液晶空间光调制器调制后的远场衍射，即生成的oam光梳。通过螺旋相位反转换法对实验所获oam光梳的oam模式进行分析，得到本实施例生成的oam光梳的oam谱，如附图5所示，生成的oam光梳包含32种oam态(即梳齿)，均匀度达到90.95％，与理论仿真吻合较好。
[0041]
上述实施例表明本发明的基于角向二值化相位的oam光梳生成方法与系统具有良好的性能。
[0042]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。