[发明专利]一种用于产生多模式叠加涡旋光束的相位全息图的设计方法

说明书

本发明提供了一种用于产生多模式叠加涡旋光束的相位全息图的设计方法，该方法包括以下步骤：①给定目标涡旋光束的模式组合，以及各模式相对幅度，为设计符合要求的相位全息图，根据其相位函数与各模式的傅里叶变换关系，构建泛函约束优化问题；②利用Lagrange乘子法求解泛函约束优化问题，求得相位函数的数学表达式，结合约束条件，将泛函约束优化问题转换成一般的约束优化问题；③构建并求解泛函约束优化问题对应的最小二乘优化问题，将最优解作为步骤②中一般约束优化问题的初值，最终通过非线性求解器Knitro求解步骤②中一般约束优化问题。本发明设计方法为产生较高能量效率与均匀性的多模式叠加涡旋光束提供了一个新的思路，存在一定的实用价值。

技术领域

本发明涉及通信技术，特别涉及一种用于产生多模式叠加涡旋光束的相位全息图的设计方法。

背景技术

携带涡旋波前的OAM光束已经被研究了数十年。1992年，Allen首次提出包含方位角相位项的涡旋光束，每光子具有的轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)，其中拓扑荷l可以取任意整数，l也称作角向指数，为方位角。携带OAM的光束被广泛应用于各个领域，包括光学操纵，光镊技术，光学扳手，量子纠缠等。

由于不同OAM模式的涡旋光束之间的正交性，因此在光通信领域，OAM复用与OAM键控(OAM shift keying,OAM-SK)具有提升信道容量的潜力。在OAM-SK光通信系统中的发射端，高斯光束通过加载了相位全息图的空间光调制器生成多模式叠加的涡旋光束，由此信号被编码成为涡旋光束的OAM态，其中多模式叠加的涡旋光束作为编码格式，每一个OAM状态代表一比特数据；接收端对接收到的光信号进行探测解码最终得到用户信号。因此如何产生具备高均匀性与高能量效率的多模式叠加的涡旋光束是OAM-SK系统的关键。

2005年，Lin等人提出一种迭代算法并利用纯相位器件生成多模式叠加的涡旋光束，成功产生了3或者4个模式叠加的涡旋光束。2011年，基于Lin的迭代算法，Wang等人利用遗传算法对其进行了改善，成功产生了16个模式叠加的涡旋光束。2015年，同样基于Lin的迭代算法，王建等人利用模式搜索算法对其进行改善，产生了50个模式叠加的涡旋光束。上述方法都是利用迭代算法进行优化求解，并且，Lin的迭代算法得到的少数模式组合的涡旋光束的能量分布以及总的能量效率仍然有待改善。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于如何设计纯相位器件的相位函数产生高能量效率高均匀性的多模式叠加涡旋光束。

为解决上述问题，本发明提供了一种用于产生多模式叠加涡旋光束的相位全息图的设计方法，该方法包括以下步骤：①给定目标涡旋光束的模式组合，以及各模式相对幅度，为设计符合要求的相位全息图对应的相位函数，根据相位函数与各模式的傅里叶变换关系，将上述问题转换成泛函约束优化问题；②利用Lagrange乘子法求解泛函约束优化问题，求得相位函数的数学表达式，结合约束条件，将泛函约束优化问题转换成一般的约束优化问题；③构建并求解泛函约束优化问题对应的最小二乘优化问题，将最优解作为步骤②中一般约束优化问题的初值，最终通过非线性求解器Knitro求解步骤②中一般约束优化问题。

附图说明：

图1为的实施例的总体框图。

图2到图5所示为利用本发明产生目标模式组合为{-16，-8，8，16}，能量分布为{0.25，0.25，0.25，0.25}的涡旋光束的数值仿真以及实验结果图。

图2为本发明仿真得到的模式能量分布图。

图3为利用本发明设计得到的纯相位器件相位函数对应的相位全息图。

图4为利用本发明设计得到的相位全息图产生的多模式涡旋光束的实验光斑图。

图5为对图4所示多模式涡旋光束进行解复用得到的实验光斑图。