[发明专利]一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法及系统

说明书

本发明公开了一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法及系统，该方法包括：将携带光子轨道角动量的涡旋光场垂直入射至(r₁,θ₁)平面的第一相位板；涡旋光场经过第一相位板螺旋分解和相位调制后传播到(r₂,θ₂)平面的第二相位板；将涡旋光场经过第二相位板使得相位分布从角向螺旋相位exp(ilθ₁)变换为角向缩放后的螺旋相位exp(inlθ₂)后通过光学4f低通滤波模块，得到环形光强分布的理想涡旋光；通过光学4f低通滤波模块输出平面(r₃,θ₃)输出理想涡旋光。该系统包括：光学坐标变换模块和光学4f低通滤波模块。本发明作为一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法及系统，可广泛应用于广场调控领域。

技术领域

本发明涉及光场调控领域，尤其涉及一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法及系统。

背景技术

涡旋光是一类空间结构光场，光强分布为一个圆环形，对应相位分布是角向线性变化的螺旋相位结构(携带螺旋相位因子exp(ilθ)，其中l为特定阶数的拓扑荷数，θ为方位角)。涡旋光携带光子轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)，对应不同拓扑荷(阶数)的OAM模式具有正交属性。在光通信应用中，不同阶数的涡旋光模式可作为不同信息传输的通道，这为数量级提升通信容量提供重要的技术途径。在涡旋光通信系统中，除了涡旋光模式的产生和探测之外，对模式的调控也是面向应用需求所要解决的关键问题。

目前有两种光学坐标变换被提出并用于OAM乘法和除法操作。(1)第一种光学坐标变换是对数极坐标变换，它实现OAM乘法或除法的基本原理是：首先利用对数极坐标变换将环形的OAM模式exp(ilθ)剪切展开为长条形的倾斜平面波模式，然后利用扇出型光栅元件对该长条形的倾斜平面波模式进行n倍的光场复制和拼接从而对应有n×2π的相移量，最后通过逆向的对数极坐标变换将上述长条形的倾斜平面波模式重新包裹回环形的OAM模式，此时该OAM模式将变为exp(inlθ)，即实现OAM乘法操作。这一方案理论上具有100％的转换效率，并且原则上可以逆向使用同时实现OAM除法操作等优点，然而其显著的缺点则是需要三步变换因而复杂度太高，在实际中轻微的对准偏差就会导致OAM乘法/除法操作的效果显著恶化。(2)第二种光学坐标变换则是扇形变换，它实现OAM乘法或除法的基本原理是：利用扇形变换可以实现角向缩放这一特点(θ→θ/n)，将环形OAM模式转换为扇形模式；通过n个并行的扇形变换产生出n个互补的扇形变换光场从而构成完整的环形OAM模式exp(inlθ)。由于n个并行的扇形变换所需的相位调制是叠加在同一个衍射屏上实现，因而这一方案实际上只需进行一步变换，复杂度显著降低。然而上述n个相位调制的叠加将对应需要进行复振幅调制，因而在波前调控实现上较为复杂并且因为振幅调制会引入损耗。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法及系统，。

本发明所采用的第一技术方案是：一种光子轨道角动量模式任意乘除的方法，包括以下步骤：

将携带光子轨道角动量的涡旋光场垂直入射至(r₁,θ₁)平面的第一相位板，所述第一相位板上加载有预设的第一相位调制Q(r₁,θ₁)，所述涡旋光场的波前为角向螺旋相位分布为exp(ilθ₁)，所述l为拓扑电荷数，θ₁为方位角，i是虚数单位；

涡旋光场经过第一相位板螺旋分解和相位调制后传播到(r₂,θ₂)平面的第二相位板，所述第二相位板上加载有预设的第二相位调制P(r₂,θ₂)；