CN113267899A - 一种一次产生多个同轴轨道轨道角动量态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一次产生多个同轴轨道角动量态的方法，包括以下步骤：步骤1：将来自激光器的高斯光经过准直器准直后，送入光束偏转装置；步骤2：通过光束偏转装置的控制器的控制，高斯光束发生不同角度偏转，出射的高斯光束经过由多个透镜组成的准直***后，照射在圆形阵列涡旋达曼光栅的不同位置上，经过圆形阵列涡旋达曼光栅透射的光束转变为多个不同拓扑荷值的同轴轨道角动量光束，并在焦平面上显示多个同心圆图案。本发明将光束偏转置和改进的圆形阵列涡旋达曼光栅运用到轨道角动量光束的产生领域中，实现了对多个同轴轨道角动量态的新型快速生成方法。

Description

一种一次产生多个同轴轨道轨道角动量态的方法
技术领域
本发明涉及轨道角动量领域，尤其涉及一种一次产生多个同轴轨道角动量态的方法。
背景技术
轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)是近些年来量子光学领域的前沿和热点之一。在经典电磁场理论中，电磁场的角动量分为与圆极化有关的自旋角动量和与空间螺旋相位结构有关的轨道角动量。在自由空间传输的过程中，自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)保持不变。1992年，Allen等人指出带有螺旋相位因子exp(ilθ)的光束，每个光子都带有
Figure BDA0003104275980000011
的轨道角动量，其中l为光束的方位角指数，又称为拓扑荷，取值可以从负无穷到正无穷，其大小决定了光束的空间分布情况，
Figure BDA0003104275980000012
其中h为普朗克常量。随后，1995年昆士兰大学的相关研究人员首次通过实验验证了光子轨道角动量的存在，近年来的研究还发现轨道角动量的拓扑荷值不仅可以为整数，也可以为分数。
随着轨道角动量在量子信息处理和现代通信中得到越来越多的关注,出现了许多种OAM态的产生方法。总体上可以分为两类，一类是直接从激光器腔中输出OAM态；另一类是先从激光器中输出高斯模，然后通过转换器转换成所需的OAM态，后一方法又存在不同的转换途径，常见的产生方法有：螺旋相位片法、计算全息法、Q-盘产生法和模式转换法等等。
常见的产生器件有很多。目前采用自适应光学技术，如空间光调制器(SLM)或数字微镜设备(DMD)，可以改变光束前的相位和振幅。另一种方法是使用多个电光调制器(EOM)照射多个静态相位板中的一个，然后使用多个分束器重新组合以产生不同的空间模式。本发明提出通过光束偏转结合改进的圆形阵列涡旋达曼光栅一次产生多个同轴轨道角动量态的方法，利用光束偏转装置获得不同偏转角度的出射光束，照射到已设计好的圆形阵列涡旋达曼光栅的不同位置，对应不同的多个同轴轨道角动量态，从而可快速实现多个同轴轨道角动量态的产生。
光束偏转装置可以利用光偏转器来实现。光偏转器又称光束扫描器，是一种可以按一定规律改变光束在空间传播方向的器件。大多数光偏转器用机械的方式转动反射镜(或多面反射体)以改变光束至镜面的入射角，达到使反射光束偏转的目的。还有一类常用的光偏转器是利用电光效应或声光效应改变透明介质的折射率，达到偏转光束的目的，这类偏转器往往只适用于对单一波长的激光光束偏转的场合。常用的光偏转器有转镜，振镜，声光偏转器等。
达曼光栅空间坐标调制的位相光栅，能利用特殊的孔径函数的衍射光栅产生一维或者二维的矩形等强度的阵列光束。达曼光栅被用于光纤的星状耦合以及多个激光光源的相干叠加。近年来又被用在光计算的光互连中，并行读取信息或作为分束器件。传统的达曼光栅产生的是方形的衍射场分布，在某些特殊场合应用受到限制。
现有技术中，申请公布号为CN101726868A公开了一种实现光束轨道角动量态复用编码的方法和装置，具体公开了激光器、起偏器、扩束器、空间光调制器、波片、傅立叶变换透，在傅立叶变换透镜的后焦平面上形成均匀分布在以入射光光轴为中心的圆周上的处于不同轨道角动量态的多束光束，其方法比较复杂，装置成本高。申请公布号CN104280802A公开了一种复合达曼涡旋光栅，该复合达曼涡旋光栅由两个携带大小相等、符号相反的基础拓扑荷±l0的达曼涡旋光栅按照等宽环形区域由内到外依次交替组合而成的一种二元纯相位调制器件，然而通过该复合达曼涡旋光栅仅仅能够产生多个不同拓扑荷的花瓣状光斑。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种一次产生多个同轴轨道角动量态的方法，本发明通过对达曼光栅进行改进，再利用利用光偏转器的快速切换能力，让入射光束照射在改进的圆形阵列涡旋达曼光栅的不同位置上，快速实现了一次多个同轴轨道角动量态的产生。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种一次产生多个同轴轨道角动量态的方法，包括以下步骤：
步骤1：将来自激光器的高斯光经过准直后，送入光束偏转装置；
步骤2：通过控制光束偏转装置的控制器，控制出射光束的偏转角度，出射的光束经过由多个透镜组成的准直***后，照射在不同的圆形阵列涡旋达曼光栅上，经过圆形阵列涡旋达曼光栅透射的光束转变为多个不同拓扑荷值的同轴轨道角动量光束，并在焦平面上显示多个同心圆图案。
本发明的进一步改进在于：步骤2中圆形阵列涡旋达曼光栅是空间坐标调制的位相光栅，能利用特定的孔径函数的衍射光栅产生一维或者二维的圆形等强度的阵列光束。
本发明的进一步改进在于：所述圆形阵列涡旋达曼光栅的位相结构为：
Figure BDA0003104275980000031
其中，φ是相位函数，N是衍射阶数的总数，为偶正整数，T是光栅的周期，Tx、Ty、Tr代表了按光栅水平、垂直、径向方向设计的周期，其中
Figure BDA0003104275980000032
n是从-N/2到N/2的衍射阶数，θ是极坐标中的方位角，l是OAM光的拓扑电荷，是一个非零整数,|En|2＝1/N是第n阶的能量相当于总能量的标准化，En是第n阶相位前的权重系数,根据上述式子得到，在圆形阵列涡旋达曼光栅上具有平面波前入射的光束被衍射成N阶，每个都带有拓扑电荷n×l的光束带有相等的能量,由此，得到数个同心圆环状的轨道角动量光束阵列。
本发明的有益效果是：将光束偏转装置和改进的圆形阵列涡旋达曼光栅运用到轨道角动量光束的产生领域中，实现了对多个同轴轨道角动量的新型快速生成方法，且所构成阵光束具有等强度的特点。基于光束偏转装置的快速和灵活性，利用它能将光束偏转到任何角度的能力，对光束进行不同角度的偏转。然后，将入射光束投射到能够产生多个同轴轨道角动量相位的改进的圆形阵列涡旋达曼光栅上，实现了多个同轴轨道角动量光束的产生。传统的达曼光栅产生的是一维和二维等强度点的方形衍射场，它不是轴对称的，而大多数的光学***都是轴对称的。本发明的圆形阵列涡旋达曼光栅能实现了多个同轴轨道角动量光束的一次产生。
附图说明
图1是多个同轴轨道角动量光束产生示意图。
图2是圆形阵列涡旋达曼光栅1的仿真示意图。
图3是圆形阵列涡旋达曼光栅2的仿真示意图。
图4是同轴轨道角动量阵列1仿真结果图。
图5是同轴轨道角动量阵列2仿真结果图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1-5所示，本实施例考虑传统的轨道角动量光束生成方式无法实现多个同轴轨道角动量生成的现状，提出利用光束偏转和圆形阵列涡旋达曼光栅特点结合的方法，通过控制光束偏转装置使光束发生不同角度的偏转，让其打在圆形阵列涡旋达曼光栅的不同位置上，目的是实现一次产生多个同轴轨道角动量。本发明是一种一次产生多个同轴轨道角动量态光束的方法，包括以下步骤：
步骤1：将来自激光器的高斯光经过准直后，送入光束偏转装置；
步骤2：通过控制光束偏转装置的控制器，控制出射光束的偏转角度，出射的光束经过由多个透镜组成的准直***后，准直***可以是由L1，L2和L3透镜组成的，放大偏转角度，光束照射在圆形阵列涡旋达曼光栅的不同位置上，不同位置的圆形阵列涡旋达曼光栅对应能够产生不同数量的拓扑荷值的同轴轨道角动量的相位。因此，经过圆形阵列涡旋达曼光栅透射的光束转变为多个不同拓扑荷值的同轴轨道角动量光束，因此，通过调节控制器实现产生具有不同数量的拓扑荷但同轴的轨道角动量光束，并在焦平面上显示多个同心圆图案。
步骤1中的光束偏转装置是一种能使得出射光束相比于入射光束存在一定角度的偏转的装置，比如转镜，振镜，声光调制器(AOM),声光偏转器(AOD)等等。以此为基础，根据偏转角度的不同，会使输出光束被偏转并照射在圆形阵列涡旋达曼光栅的不同位置上。光束偏转装置的调节速度决定了本发明一次产生多个同轴轨道角动量态的速度，而光束偏转装置的调节速度远大于传统的产生速度。
步骤2中圆形阵列涡旋达曼光栅是空间坐标调制的位相光栅，能利用特定的孔径函数的衍射光栅产生一维或者二维的圆形等强度的阵列光束。传统的达曼光栅产生的是方形的衍射场分布，在某些特殊场合应用受到限制。因为大多数光学***都是轴对称的，因此该圆形阵列涡旋达曼光栅有重要用途。本发明的圆形阵列涡旋达曼光栅的位相结构为：
Figure BDA0003104275980000041
其中，φ是相位函数，N是衍射阶数的总数，为偶正整数，T是光栅的周期，Tx、Ty、Tr代表了按光栅水平、垂直、径向方向设计的周期，其中
Figure BDA0003104275980000051
n是从-N/2到N/2的衍射阶数，θ是极坐标中的方位角，l是OAM光的拓扑电荷，是一个非零整数,|En|2＝1/N是第n阶的能量相当于总能量的标准化，En是第n阶相位前的权重系数,根据上述式子得到，在圆形阵列涡旋达曼光栅上具有平面波前入射的光束被衍射成N阶，每个都带有拓扑电荷n×l的光束带有相等的能量,由此，得到数个同心圆环状的轨道角动量光束阵列。
根据上述公式设计了一个圆形阵列涡旋达曼光栅，分为两块区域，分别能产生一行四列且1个位置两个圆环和一行两列且1个位置四个圆环的轨道角动量态，具体的仿真结果如图2和图3。当入射光束经光束偏转后照射在圆形阵列涡旋达曼光栅区域1上，产生同轴轨道角动量阵列1，分别为l＝3,l＝1,l＝-1和l＝-3的两个同轴轨道角动量；当入射光束经光束偏转后照射在圆形阵列涡旋达曼光栅区域2上，产生同轴轨道角动量阵列2，分别为l＝1和l＝-1的4个同轴轨道角动量。至此，完成多个同轴轨道角动量态的快速生成。

Claims (3)

1.一种一次产生多个同轴轨道轨道角动量态的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将来自激光器的高斯光经过准直器准直后，送入光束偏转装置；
步骤2：通过光束偏转装置的控制器的控制，高斯光束发生不同角度偏转，出射的高斯光束经过由多个透镜组成的准直***后，照射在圆形阵列涡旋达曼光栅的不同位置上，经过圆形阵列涡旋达曼光栅透射的光束转变为多个不同拓扑荷值的同轴轨道角动量光束，并在焦平面上显示多个同心圆图案。
2.根据权利要求1所述一种一次产生多个同轴轨道角动量态的方法，其特征在于：步骤2中圆形阵列涡旋达曼光栅是空间坐标调制的位相光栅，利用特定的孔径函数的衍射光栅产生一维或者二维的圆形等强度的阵列光束。
3.根据权利要求2所述一种一次产生多个同轴轨道角动量态的方法，其特征在于：所述圆形阵列涡旋达曼光栅的位相结构为：
Figure FDA0003104275970000011
其中，φ是相位函数，N是衍射阶数的总数，为偶正整数，T是光栅的周期，Tx、Ty、Tr代表了按光栅水平、垂直、径向方向设计的周期，其中
Figure FDA0003104275970000012
n是从-N/2到N/2的衍射阶数，θ是极坐标中的方位角，l是OAM光的拓扑电荷，是一个非零整数,|En|2＝1/N是第n阶的能量相当于总能量的标准化，En是第n阶相位前的权重系数。
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