[发明专利]一种产生多环涡旋光束的方法

说明书

本发明公开了一种产生多环涡旋光束的方法，将激光器发出的基模高斯光束经过分束器分为两束光，一束光经过空间光调制器1，生成拓扑荷数为l₁的涡旋光束，另一束光经过第二个分束器分为两束光，重复用使用分束器分光束操作，直至被分束的其中一束光经过空间光调制器n，生成拓扑荷数为l_n的涡旋光束，这n束涡旋光束分别反射到偏振片上，经由合束器将n束涡旋光束正交叠加，得到n环涡旋光束，即多环涡旋光束。本发明一种产生多环涡旋光束的方法主要研究利用不同轨道角动量之间的正交性进行叠加产生多环涡旋光。相比于现有方法存在的局限性，本方法可以将任意不同的拓扑荷数的涡旋光束进行叠加，产生多环涡旋光束。

技术领域

本发明属于无线激光通信技术领域，涉及一种不同拓扑荷数的涡旋光束正交叠加后产生多环状涡旋光束的方法。

背景技术

涡旋光束是一种具有螺旋波前分布的特殊光场，同时具有相位奇点。相位奇点在光束的中心部分，在该点处光强几乎为零，在传输过程中光束会呈现螺旋形的波面结构，同时携带有与方位角相关的连续螺旋状相位因子。具有不同拓扑荷数的轨道角动量(OrbitalAngular Momentum，OAM)模式之间相互正交，理论上拓扑荷可取无穷个，因此可实现在同一波长上复用多个涡旋光束，提高通信速率和信道容量。

随着对涡旋现象研究的不断深入，该领域已经出现越来越多的新奇特性和应用价值，尤其在研究两束或多束涡旋光相互叠加时，发现新合成光涡旋是多种多样的，包括涡旋的位置、数目等都会发生变化且呈现出一定的规律。多涡旋光束携带不同的拓扑荷数，其轨道角动量相比于单个拓扑荷数的涡旋光束具有多样性，可以携带更多信息，在利用轨道角动量的自由空间光学通信系统中，多涡旋光束具有更高的稳定性和可行性。多涡旋光束在传输过程中稳定性较高，相对于单涡旋光束，其在自由空间光学通信系统中能够得到更好的应用。

目前产生多环涡旋光束的方法有，通过将拓扑荷数相差较大的两束或多束涡旋光束叠加，产生双环或多环涡旋光束；将束腰半径相差较大的两束或多束涡旋光束叠加产生双环或多环涡旋光束。但这两种方法都有局限性，需要拓扑荷数或束腰半径相差较大才能实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种产生多环涡旋光束的方法，解决了现有技术中存在的需要拓扑荷数或束腰半径相差较大的多束涡旋光叠加产生多环涡旋光束的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种产生多环涡旋光束的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、根据所用的平面光波和涡旋光束干涉叠加的电场表达式，在计算机中模拟生成叉形光栅全息图；

步骤2、把步骤1中产生的叉形光栅全息图加载到空间光调制器上，用基模高斯光束通过空间光调制器生成涡旋光束；

步骤3、将n束不同拓扑荷数的涡旋光束进行正交叠加，生成n环涡旋光束，即多环涡旋光束，n是大于等于2的正整数。

本发明的特点还在于：

生成叉形光栅全息图的所用平面光波的电场表达式为：

E₁＝A₁exp(-ikx) (1)

式中E₁为平面光波的电场，A₁为平面光波的振幅，k为平面波波数，i 为虚数，k＝2π/λ，λ为波长，x为位置坐标；

生成叉形光栅全息图的所用涡旋光束的电场表达式为：

E₂＝A₂exp(ilθ) (2)