專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)光束軌道角動(dòng)量態(tài)復(fù)用編碼的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)光束軌道角動(dòng)量態(tài)復(fù)用編碼的方法和裝置，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光束含有與其角向相關(guān)的螺旋位相分布(也稱扭轉(zhuǎn)位相分布)時(shí)，該光束具有與 其角向位相分布相關(guān)的軌道角動(dòng)量。軌道角動(dòng)量的一個(gè)重要的性質(zhì)是其具有的量子性質(zhì)。 研究表明軌道角動(dòng)量的本征波函數(shù)為螺旋諧波函數(shù)，用數(shù)學(xué)公式表示為expG'/》，其中p是
角向坐標(biāo)，l為軌道角動(dòng)量量子數(shù)(取整數(shù)值)。研究表明所有這些螺旋諧波函數(shù)描述的軌 道角動(dòng)量態(tài)的數(shù)目是無窮的，用軌道角動(dòng)量量子數(shù)描述，從理論上來說， 一個(gè)軌道角動(dòng)量態(tài) 符號(hào)可以攜帶無窮大的信息容量，這構(gòu)成應(yīng)用軌道角動(dòng)量的量子性質(zhì)進(jìn)行高密度自由空間 光通信的理論基礎(chǔ)，也使得光束的軌道角動(dòng)量在高密度信息存儲(chǔ)和傳輸領(lǐng)域有著重要的應(yīng) 用價(jià)值。在利用光束的軌道角動(dòng)量進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸時(shí)，信息調(diào)制是一個(gè)重要的組成部 分，需要建立數(shù)據(jù)信息與軌道角動(dòng)量態(tài)的映射關(guān)系。為了增加光束的信息容量，通常將幾個(gè) 不同的軌道角動(dòng)量態(tài)同軸疊加用來表征一個(gè)數(shù)據(jù)態(tài)，也稱之為光束軌道角動(dòng)量態(tài)的復(fù)用編 碼。 近年來，一些工作致力于尋找可行的實(shí)現(xiàn)光束軌道角動(dòng)量復(fù)用的方法。發(fā)表在 《物理新雜志》2004年第6巻第131期(Z. Bouchal and R. Celechovsky， 〃 Mixedvortex states of light as information carriers, 〃 New J Phys 6 (131) ， 1-15 (2004))上的 文章設(shè)計(jì)了一個(gè)相位調(diào)制光柵和一個(gè)幅度調(diào)制光柵以實(shí)現(xiàn)無衍射螺旋光的疊加，無衍射 的螺旋光的疊加光在空間傳輸?shù)臅r(shí)候具有較好的自修正特性，該方法需要通過調(diào)整相位 光柵和振幅光柵來實(shí)現(xiàn)不同的光束疊加態(tài)，這就使得數(shù)據(jù)調(diào)制速度受到空間光調(diào)制器刷 新頻率的限制；發(fā)表在《現(xiàn)代光學(xué)雜志》2004年第51巻第2期上的文章(S. N. Khonina， V. V. Kotlyar， V. A. Soifer， K. Jefimovs， and J. Turunen， 〃 Generation and selection of laser beams represented by asuperposition of two angular harmonics,〃 J Mod Opt 51 (2) ，761-773 (2004))設(shè)計(jì)二元相位光柵實(shí)現(xiàn)24種不同的雙螺旋光疊加，這種方法 在空間的不同方向上用衍射的方法直接產(chǎn)生兩束處于不同軌道角動(dòng)量態(tài)的光束的疊加，但 是衍射元件的加工復(fù)雜昂貴，且不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)制；發(fā)表在《光學(xué)通訊》2005年第30巻第 24期上的文章(J丄in， X. _C. Yuan, S. H. Tao， and R. E. Burge， 〃 Collinearsuperposition of multiple helical beams generated by a single azimuthally modulatedphase-only element, 〃 Opt Lett 30 (24) ， 3266-3268 (2005))也提出了一個(gè)生成純相位光柵的算法， 以產(chǎn)生兩個(gè)以上螺旋光的疊加，這種方法也存在數(shù)據(jù)調(diào)制速度受限制的問題。因此，我們?cè)O(shè) 計(jì)了一種易于實(shí)現(xiàn)且信息調(diào)制速度不受空間光調(diào)制器刷新頻率限制的光束軌道角動(dòng)量態(tài) 復(fù)用編碼的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)光束軌道角動(dòng)量態(tài)復(fù)用編碼的方法和裝置。
本發(fā)明的目的是由下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明的裝置包括激光器、起偏器、擴(kuò)束器、空間光調(diào)制器、三個(gè)1/4波片、傅立葉 變換透鏡、偏振分光棱鏡、兩個(gè)波羅棱鏡和小孔光闌。 所述的激光器輸出光束為高斯光束；所述的擴(kuò)束器置于起偏器后，用于增大光束 半徑；所述的空間光調(diào)制器，置于傅立葉變換透鏡的前焦平面上；所述的1/4波片快軸方向 與入射到其上的光束的偏振方向呈n/4的夾角；所述的波羅棱鏡能夠繞其入射光光軸旋 轉(zhuǎn)，且保證旋轉(zhuǎn)過程中直角棱始終與其入射光光軸垂直；所述的小孔光闌置于傅立葉變換 透鏡的后焦平面上。 所述的空間光調(diào)制器加載調(diào)制函數(shù)，對(duì)光束進(jìn)行相位調(diào)制或者振幅調(diào)制，使得在 傅立葉變換透鏡后焦面上形成均勻分布在以入射光光軸為中心的圓周上的處于不同軌道 角動(dòng)量態(tài)的多束光束。 本發(fā)明提供的光束軌道角動(dòng)量態(tài)復(fù)用編碼的方法由兩個(gè)功能塊構(gòu)成，具體步驟為
①產(chǎn)生均勻分布在以入射光光軸為中心的圓周上的處于不同軌道角動(dòng)量態(tài)的多 束光束，具體步驟為 從激光器出射的高斯光束經(jīng)過起偏器變換為線偏振光，再經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后入射到 空間光調(diào)制器上，調(diào)整起偏器起偏方向使得入射光經(jīng)空間光調(diào)制器后實(shí)現(xiàn)所給定的相位調(diào) 制或振幅調(diào)制，被調(diào)制后的光束經(jīng)1/4波片變換為圓偏振光，再經(jīng)傅立葉變換透鏡，在傅立 葉變換透鏡后焦平面上形成均勻分布在以入射光光軸為中心的圓周上的處于不同軌道角 動(dòng)量態(tài)的多束光束。 ②采用偏振分光棱鏡、l/4波片和可旋轉(zhuǎn)的波羅棱鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)將光束分解 成兩個(gè)能夠自由旋轉(zhuǎn)且偏振方向相互垂直的偏振光束分量，然后再將其同軸疊加，得到所 需要的軌道角動(dòng)量疊加態(tài)，具體步驟為 經(jīng)過傅立葉變換透鏡的衍射光束經(jīng)偏振分光棱鏡分解為光路平面內(nèi)傳輸方向相 互垂直的兩個(gè)偏振光束分量，且兩個(gè)偏振光束分量的偏振方向分別垂直和平行于光路平 面，這兩個(gè)光束分量分別通過1/4波片由線偏振光變換為圓偏振光，入射到波羅棱鏡上并 被其全反射，再次經(jīng)過1/4波片由圓偏振光變換為線偏振光，此時(shí)偏振方向相對(duì)旋轉(zhuǎn)過 90° ，即偏振方向平行于光路平面的光束分量此時(shí)偏振方向垂直于光路平面，而偏振方向 垂直于光路平面的光束分量此時(shí)偏振方向平行于光路平面，兩個(gè)偏振光束分量再次經(jīng)過偏 振分光棱鏡時(shí)合束，實(shí)現(xiàn)同軸疊加傳輸，此時(shí)可通過旋轉(zhuǎn)波羅棱鏡并結(jié)合調(diào)節(jié)小孔光闌的 小孔位置濾出所需的軌道角動(dòng)量疊加態(tài)。
本發(fā)明的有益效果 ①可以生成均勻分布在以入射光光軸為中心的圓周上的處于不同軌道角動(dòng)量態(tài) 的多束光束，光束的數(shù)量及分布取決于空間光調(diào)制器上的調(diào)制函數(shù)。 ②空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)固定的相位調(diào)制或振幅調(diào)制，動(dòng)態(tài)的軌道角動(dòng)量態(tài)疊加復(fù)用
由旋轉(zhuǎn)的波羅棱鏡實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)制速度不受空間光調(diào)制器刷新頻率限制。 ③控制光束的偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)兩束不同軌道角動(dòng)量態(tài)的光束的同軸疊加。


圖l是本發(fā)明的原理圖；圖中，l-激光器，2-起偏器，3-擴(kuò)束器，4-空間光調(diào)制器，
45-第一 1/4波片，6-傅立葉變換透鏡，7-偏振分光棱鏡，8-第二 1/4波片，9-第一波羅棱 鏡，10-第三1/4波片，11-第二波羅棱鏡，12-小孔光闌。 圖2是本發(fā)明中產(chǎn)生均勻分布在以入射光光軸為中心的圓周上的處于不同軌道 角動(dòng)量態(tài)的多束光束的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。 如圖1所示，本發(fā)明裝置由產(chǎn)生均勻分布在以入射光光軸為中心的圓周上的處于 不同軌道角動(dòng)量態(tài)的多束光束的裝置和實(shí)現(xiàn)光束分解、旋轉(zhuǎn)、疊加的裝置兩個(gè)部分構(gòu)成。本 發(fā)明的裝置包括激光器(1)、起偏器(2)、擴(kuò)束器(3)、空間光調(diào)制器(4)、第一 1/4波片(5)、 傅立葉變換透鏡(6)、偏振分光棱鏡(7)、第二 1/4波片(8)、第一波羅棱鏡(9)、第三1/4波 片(10)、第二波羅棱鏡(11)和小孔光闌(12)。激光器(1)輸出的光束為高斯光束；經(jīng)起偏 器(2)變換為線偏振光；再經(jīng)擴(kuò)束器(3)擴(kuò)束后入射到空間光調(diào)制器(4)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào) 制函數(shù)并調(diào)整起偏器(2)的起偏方向使得入射光經(jīng)空間光調(diào)制器(4)后實(shí)現(xiàn)所給定的相位 調(diào)制或振幅調(diào)制，被調(diào)制后的光束經(jīng)第一l/4波片(5)變換為圓偏振光，再經(jīng)過傅立葉變換 透鏡(6)，在傅立葉變換透鏡(6)的后焦平面上形成均勻分布在以入射光光軸為中心的圓 周上的處于不同軌道角動(dòng)量態(tài)的多束光束，如圖2所示。經(jīng)過傅立葉變換透鏡(6)的衍射 光束經(jīng)偏振分光棱鏡(7)分解成偏振方向垂直和平行于光路平面的兩個(gè)偏振光束分量，其 中偏振方向垂直于光路平面的偏振光束分量通過第二l/4波片(8)由線偏振光變換為圓偏 振光，入射到第一波羅棱鏡(9)上并被其全反射，再次經(jīng)過第二l/4波片(8)由圓偏振光變 換為線偏振光，此時(shí)偏振方向相對(duì)旋轉(zhuǎn)90° ，該偏振光束分量的偏振方向平行于光路平面， 而偏振方向平行于光路平面的分量通過第三l/4波片(10)由線偏振光變換為圓偏振光，之 后入射到第二波羅棱鏡(11)上并被全反射，再次經(jīng)過第三1/4波片(10)由圓偏振光變換 為線偏振光，此時(shí)偏振方向也相對(duì)旋轉(zhuǎn)90。，該偏振光束分量的偏振方向垂直于光路平面； 上述兩個(gè)偏振光束分量再次經(jīng)過偏振分光棱鏡(7)時(shí)合束，實(shí)現(xiàn)同軸疊加傳輸，此時(shí)可通 過旋轉(zhuǎn)第一波羅棱鏡(9)和第二波羅棱鏡(11)并結(jié)合調(diào)節(jié)小孔光闌(12)的小孔位置濾出 所需的軌道角動(dòng)量疊加態(tài)。
權(quán)利要求
一種實(shí)現(xiàn)光束軌道角動(dòng)量態(tài)的復(fù)用編碼的裝置，包括激光器(1)、起偏器(2)、擴(kuò)束器(3)、空間光調(diào)制器(4)、第一1/4波片(5)、傅立葉變換透鏡(6)、偏振分光棱鏡(7)、第二1/4波片(8)、第一波羅棱鏡(9)、第三1/4波片(10)、第二波羅棱鏡(11)和小孔光闌(12)。其特征在于激光器(1)輸出的高斯光束垂直入射依次透過起偏器(2)和擴(kuò)束器(3)后，入射到空間光調(diào)制器(4)上并發(fā)生反射，其中空間光調(diào)制器(4)位于傅立葉變換透鏡(6)前焦平面上，之后光束依次垂直透過第一1/4波片(5)和傅立葉變換透鏡(6)，其中第一1/4波片(5)的快軸方向與起偏器(2)的起偏方向呈π/4的夾角放置；之后光束垂直入射到偏振分光棱鏡(7)上，分解為光路平面內(nèi)傳輸方向相互垂直的兩個(gè)偏振光束分量，且兩個(gè)偏振光束分量的偏振方向分別垂直和平行于光路平面，偏振方向垂直于光路平面的光束分量垂直入射透過第1/4波片(8)后垂直入射到第一波羅棱鏡(9)并被其全反射，反射光再次垂直入射透過第1/4波片(8)后到達(dá)偏振分光棱鏡(7)，偏振方向平行于光路平面的光束分量垂直入射透過第三1/4波片(10)后垂直入射到第二波羅棱鏡(11)上并被其全反射，反射光再次垂直入射透過第三1/4波片(10)后到達(dá)偏振分光棱鏡(7)，其中第1/4波片(8)和第三1/4波片(10)快軸方向與光路平面成π/4夾角，第一波羅棱鏡(9)和第二波羅棱鏡(11)能夠繞入射光光軸旋轉(zhuǎn)，且保證旋轉(zhuǎn)過程中直角棱始終與入射光光軸垂直；之后上述兩個(gè)偏振光束分量在經(jīng)過偏振分光棱鏡(7)偏振合束后同軸疊加傳輸，到達(dá)位于傅立葉透鏡(6)后焦平面上的小孔光闌(12)，可通過旋轉(zhuǎn)第一波羅棱鏡(9)和第二波羅棱鏡(11)并結(jié)合調(diào)節(jié)小孔光闌(12)的小孔位置濾出所需的軌道角動(dòng)量疊加態(tài)。
2. —種實(shí)現(xiàn)光束軌道角動(dòng)量態(tài)的復(fù)用編碼的方法，其特征在于① 產(chǎn)生均勻分布在以入射光光軸為中心的圓周上的處于不同軌道角動(dòng)量態(tài)的多束光 束從激光器(1)出射的高斯光束經(jīng)過起偏器(2)后變換為線偏振光，再經(jīng)擴(kuò)束器(3)擴(kuò)束 后入射到空間光調(diào)制器(4)上，空間光調(diào)制器(4)置于傅立葉變換透鏡(6)的前焦平面上， 通過設(shè)計(jì)空間光調(diào)制器(4)上的調(diào)制函數(shù)并調(diào)整起偏器(2)的起偏方向使得入射光經(jīng)空間 光調(diào)制器(4)后實(shí)現(xiàn)所給定的相位調(diào)制或振幅調(diào)制，被調(diào)制后的光束經(jīng)第一 1/4波片(5) 變換為圓偏振光，再傳輸經(jīng)過傅立葉變換透鏡(6)，在傅立葉變換透鏡(6)的后焦平面上形 成均勻分布在以入射光光軸為中心的圓周上的處于不同軌道角動(dòng)量態(tài)的多束光束。② 將光束分解為兩個(gè)能夠自由旋轉(zhuǎn)且偏振方向相互垂直的偏振光束分量，然后再將其 疊加，得到所需要的軌道角動(dòng)量疊加態(tài)經(jīng)過傅立葉變換透鏡(6)的衍射光束經(jīng)偏振分光 棱鏡(7)后分解為偏振方向垂直和平行于光路平面的兩個(gè)偏振光束分量，其中偏振方向垂 直于光路平面的光束分量通過第二l/4波片(8)由線偏振光變換為圓偏振光，之后入射到 第一波羅棱鏡(9)上并被其全反射，再次經(jīng)過第二l/4波片(8)由圓偏振光變換為線偏振 光，此時(shí)偏振方向相對(duì)旋轉(zhuǎn)90。，該偏振光束分量的偏振方向平行于光路平面；偏振方向 平行于光路平面的分量通過第三l/4波片(10)由線偏振光變換為圓偏振光，之后入射到第 二波羅棱鏡(11)上并被全反射，再次經(jīng)過第三l/4波片(10)由圓偏振光變換為線偏振光， 此時(shí)偏振方向也相對(duì)旋轉(zhuǎn)90。，該偏振光束分量的偏振方向垂直于光路平面；上述兩個(gè)偏 振光束分量再次經(jīng)過偏振分光棱鏡(7)時(shí)合束，實(shí)現(xiàn)同軸疊加傳輸，此時(shí)可通過旋轉(zhuǎn)第一 波羅棱鏡(9)和第二波羅棱鏡(11)并結(jié)合調(diào)節(jié)小孔光闌(12)的小孔位置濾出所需的軌道 角動(dòng)量疊加態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明是一種實(shí)現(xiàn)光束軌道角動(dòng)量態(tài)復(fù)用編碼的方法和裝置，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由激光器、起偏器、擴(kuò)束器、空間光調(diào)制器、三個(gè)1/4波片、傅立葉變換透鏡、偏振分光棱鏡、兩個(gè)波羅棱鏡、小孔光闌組成。本發(fā)明首先采用以空間光調(diào)制器和傅立葉變換透鏡為核心元件的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生均勻分布在以入射光光軸為中心的圓周上的處于不同軌道角動(dòng)量態(tài)的多束光束，然后采用偏振分光棱鏡、四分之一波片和可旋轉(zhuǎn)的波羅棱鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)將光束分解成兩個(gè)能夠自由旋轉(zhuǎn)且偏振方向相互垂直的偏振光束分量，然后再將其疊加，得到所需要的軌道角動(dòng)量態(tài)的疊加，實(shí)現(xiàn)光束軌道角動(dòng)量態(tài)的復(fù)用編碼。
文檔編號(hào)G02F1/00GK101726868SQ20091024241
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者高明偉, 高春清, 齊曉慶 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)