[发明专利]一种可多自由度任意调控的完美涡旋光束阵列生成方法与系统

说明书

本发明公开了一种可多自由度调控的完美涡旋光束阵列生成方法与系统。本发明采用将贝塞尔函数、余弦函数、螺旋位相等互相叠加并纯相位化得到可多自由度任意调控生成完美涡旋光束阵列的光栅，进而可将基模高斯光束转化为完美涡旋光束阵列，并可通过调节光栅相关参数等方式对完美涡旋光束阵列中角量子数分布、空间位置、横模环数、束腰椭圆度、束腰半径等自由度任意调控。本发明的一种可多自由度调控的完美涡旋光束阵列生成系统，结构简单，稳定性强，可广泛应用于超大容量光通信、多点加工等前沿应用领域，相比现有技术具有较大进步。

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种可多自由度任意调控的完美涡旋光束阵列生成方法与系统。

背景技术

涡旋光束是一种新型结构光束，具有螺旋型波前分布并携带有轨道角动量。涡旋光束的复振幅表达式中包含有螺旋相位项其中，m为角量子数，也称为拓扑荷数，表征了涡旋光束中每一个光子所携带的轨道角动量的大小；为角向坐标。涡旋光束携带有轨道角动量的独特性质使得其在超大容量光通信、光镊、遥感探测、成像、量子技术中均具有广阔的应用前景。然而，涡旋光束的束腰半径与其携带的轨道角动量有关，角量子数越大，则束腰越宽，这给涡旋光束的实际应用带来了一定困难，特别是在将涡旋光束耦合进光纤时，高阶模的束腰较宽使得其损耗较大。为了解决了这一难题，人们提出了完美涡旋光束的概念，即其束腰与发散角不受所携带的轨道角动量的影响，不同阶次的完美涡旋光束的束腰半径相同，在一定程度上解决了涡旋光束的光纤耦合等问题。后来，科研人员又提出了完美涡旋光束阵列的概念([J.Opt.Soc.Am.A 33(9),1836(2016)])，使得同时生成多路不同阶次的完美涡旋光束成为可能，进一步的扩展了完美涡旋光束的应用领域。

然而，现有的完美涡旋光束阵列的生成技术仍存在一定缺陷：尽管已经实现了对完美涡旋光束角量子数分布、空间位置分布等维度的精准调控，但这对于完美涡旋光束的实际应用来说还远远不够。例如，对完美涡旋光束阵列中束腰椭圆度、束腰大小、横模环数等更多维度的调控可以进一步拓展涡旋光束阵列通信的编码效率与信道容量；对完美涡旋光束阵列横模环数的调控则更有利于光镊技术中对微粒的捕获与操纵。因此，研究并提出完美涡旋光束阵列的多自由度调控方法对于其实际应用具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种可多自由度任意调控的完美涡旋光束阵列生成方法与系统。

本发明的一种可多自由度任意调控的完美涡旋光束阵列生成方法，基于本发明提出的可多自由度任意调控生成完美涡旋光束阵列的光栅，该光栅通过将贝塞尔函数、余弦函数、螺旋位相等互相叠加，纯相位化之后得到透过率函数，可将基模高斯光束转化为完美涡旋光束阵列，并可通过调节光栅相关参数的方式对完美涡旋光束阵列中角量子数分布、空间位置、横模环数、束腰椭圆度、束腰半径等自由度任意调控。

本发明的一种可多自由度任意调控的完美涡旋光束阵列生成系统，具备激光器、可多自由度任意调控生成完美涡旋光束阵列的光栅和透镜，其中：

所述激光器用于产生基模高斯光束；

所述可多自由度任意调控生成完美涡旋光束阵列的光栅，用于调控基模高斯光束，获得调制光场；

所述透镜置于可多自由度任意调控生成完美涡旋光束阵列的光栅后方的激光光路中，用于对光场做傅里叶变换，生成完美涡旋光束阵列。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明的一种可多自由度任意调控的完美涡旋光束阵列生成方法可实现对完美涡旋光束阵列中角量子数分布、空间位置、横模环数、束腰椭圆度、束腰半径等自由度任意调控，以适应不同的应用场景；

2)本发明的一种可多自由度任意调控的完美涡旋光束阵列生成系统结构简单，具有极佳的稳定性。

附图说明

图1为本发明的可多自由度任意调控生成完美涡旋光束阵列的光栅的生成原理示意图；