多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统及其方法

本发明涉及光通信，尤其涉及一种多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统及其方法。

背景技术：

1、随着信息时代的快速发展，光通信是空间信息网络中高速信息传输的重要技术，目前正面临着频谱利用率低和信道容量不足等问题。涡旋光束(vortex beams)是一种具有螺旋相位波前和相位奇点的特殊光场，光束中的每个光子都携带lh的轨道角动量(orbitalangular momentum，oam)，其中l为拓扑荷值或轨道角动量的阶数，h为约化普朗克常数；因涡旋光束角向位置的不确定性也有助于提高通信系统的安全；利用涡旋光束作为载体，新增的oam自由度来编码信息可解决上述问题。oam光通信凭借其频谱利用率高、安全可靠性高和传输速率高的优势被越来越多的研究人员关注；理论上来说，l的取值是无限的，可以极大地提高通信容量和通信速率。复用涡旋光束在各个研究领域有广泛的研究，如光学微操作、光学成像、光通信和量子信息等，在这些大多数应用中对于测量复用oam的拓扑荷(topological charges，tc)极其重要。

2、截至目前，测量多个复用涡旋光束oam模式的方法较少，通过仿真研究检测复用oam模式的方法有：利用复用涡旋光传输后的相位分布特征与拓扑荷之间的关系、椭圆形光阑和相移法等；这些方法只通过仿真测量了复用oam模式，且测量范围较低；多模复用涡旋光束oam模式的探测方法有：利用复合叉形光栅、达曼光栅和新型达曼光栅；这些方法通过观察远场衍射的中心是否有实心斑点且需根据其位置才能判断复用oam模式，实际实验中斑点能量较低且效果不好，且大多依赖于光场的位置和数量，对于更多复用的oam模式难以直接检测。随着信息时代的高速发展，这些方法所检测的复用涡旋光束oam模式的范围是无法满足现代部分应用如光通信等应用的需求，为此需要一种能够解决上述问题的系统及其方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统及其方法，简单而又高效地实现了多路复用涡旋光束高阶oam模式的检测。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、本发明将待测复用涡旋光束与高斯光束进行干涉，通过接收到的干涉强度模式中均匀分布的条纹数量可同时得到待测复用涡旋光束中的oam模式l1，l2，l3的大小，其中内圈条纹的数量和方向与|l1|、|l2|、|l3|中小者一致，最外圈条纹的数量和方向与|l1|、|l2|、|l3|中最大者一致，处于中间位置条纹的数量和方向与|l1|、|l2|、|l3|中的中值者一致；条纹从内到外分别对应|l|的从小到大；结合上述的信息即可识别多路复用涡旋光束oam模式，达到检测目的。

4、具体地说：

5、一、多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统(简称系统)

6、本系统包括高斯光源、调制装置、产生待测复用涡旋光束装置、检测装置和接收装置；

7、高斯光源选用激光器产生波长为1550nm的第1高斯光束；

8、调制装置包括第1扩束准直器、偏振分束器和第1分束器；

9、产生待测复用涡旋光束装置包括空间光调制器31和控制器；

10、检测装置包括第2扩束准直器、第2分束器和反射镜；

11、接收装置包括透镜和接收器；

12、其交互关系是：

13、激光器、第1扩束准直器、偏振分束器、第1分束器和空间光调制器依次交互，产生待测复用涡旋光束；

14、第1分束器将第3高斯光束分为两路，得到第4高斯光束和第5高斯光束；

15、第1分束器与第2扩束准直器交互，得到准直扩束后的第6高斯光束光束；

16、空间光调制器和反射镜交互，得到第1待测复用涡旋光束；

17、第2分束器分别与第2扩束准直器和反射镜交互，得到第1干涉强度模式；

18、第2分束器、透镜和接收器依次交互，得到干涉强度模式，并接收第1检测结果；

19、控制器控制空间光调制器和接收器，并显示检测结果。

20、二、多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测方法(简称方法)

21、本方法包括下列步骤：

22、①在发射端：设置有激光器发出第1高斯光束，分别得到第4高斯光束、待测复用涡旋光束；

23、②在检测端：得到第1干涉强度模式；

24、③在接收端：经过透镜聚焦为第2干涉强度模式，然后由接收器接收检测结果。

25、与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：

26、①本检测系统可实现检测多路复用涡旋光束oam高阶模式的实验验证，一定程度上解决了检测多路复用涡旋光束oam高阶模式的难题，且有较好的实用性；

27、②本检测系统不需要加入滤光器去调节识别效果，降低了装置复杂性；

28、③该方法所得检测结果的条纹呈环形，使得在检测复用涡旋光束oam高阶模式时接收器更容易接收；

29、④该方法所得两个检测结果表现为均匀的粗细分布和光强分布，条纹的清晰度更高，可以检测更高阶的复用涡旋光束oam模式；

30、⑤该方法可以检测多个复用轨道角动量模式，可拓展至三模，四模等；

31、⑥本检测系统的结构简单，易于实现；

32、⑦本发明适用于光学微操作、光学成像、光通信和量子信息研究领域提供对复用涡旋光束高阶oam模式的检测。

技术特征：

1.一种多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统，其特征在于：

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统的检测方法，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统的检测方法，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种多路复用涡旋光束轨道角动量高阶模式检测系统及其方法，涉及光通信技术领域。本系统包括高斯光源(10)、调制装置(20)、产生待测复用涡旋光束装置(30)、检测装置(40)和接收装置(50)；控制器(32)控制空间光调制器(31)和接收器(52)，并显示检测结果。本方法是：①在发射端：设置有激光器发出第1高斯光束，分别得到第4高斯光束、待测复用涡旋光束；②在检测端：得到第1干涉强度模式；③在接收端：经过透镜聚焦为第2干涉强度模式，然后由接收器接收检测结果。本发明具有下列优点和积极效果：本检测系统的结构简单，易于实现；适用于光学微操作、光学成像、光通信和量子信息研究领域提供对复用涡旋光束高阶OAM模式的检测。

技术研发人员：杨春勇,王佳,倪文军,侯金,龙浩,朱翠涛,陈少平
受保护的技术使用者：中南民族大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6