一种扩大涡旋光OAM态分检器检测范围的方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术一种扩大涡旋光oam态分检器检测范围的方法技术领域1.本发明涉及涡旋光轨道角动量分离与检测及光波前调制技术领域，具体地说，涉及一种扩大涡旋光oam态分检器检测范围的方法。背景技术：2.随着携带轨道角动量(oam)光束的发现，人们对光的研究与应用步入了更深的层次。在光通信领域，携带oam的涡旋光为光通信带来了新的复用维度，可极大增加通信系统的传输容量和频谱效率。在粒子捕获、量子计算、超分辨率成像等领域也拥有着广阔的应用前景。大范围光束oam态检测是oam应用于实际的关键技术，受到大量国内外学者的关注。3.现有许多关于涡旋光oam态检测的方案，包括干涉法、衍射法、模式转换、坐标变换、机器学习等。其中坐标变换的方法是将携带不同oam态的涡旋光束转换为不同的水平位置的光斑分布，且每个光斑位置可以作为独立的信息通道被检测，因此与它检测方法比较具有检测速度快，可分离和检测携带任意随机复合oam态光束，容易与现有系统结合的优点，而缺点是可检测oam态范围较小，易受大气扰动的影响。4.2010年gregorius团队首次提出将光学图像处理中的光学几何变换方法应用到oam的分离上，该方法能够分离任意多束随机组合复合光的oam态，然而该方法存在不可避免的缺陷，因光斑的重叠现象而无法分辨出拓扑荷相邻的两束光，这是由其数学变换性质所决定的；针对这一问题，2013年mohammad mirhosseini团队设计了扇出元件，通过复制光束以提高oam模式的分辨率，通过增大元件复制光束的倍数，可以增大光斑间的相对间距，从而提高模式的识别率，降低通信上的信噪比(snr)；同一年martin团队发现扩大光束的半径可以扩大oam态的检测范围，因此提出结合光学放大器对坐标变换分检器性能进行提升的方法，其报道oam态检测范围可达到-27～+27，此后，未见检测范围更大的报道出现，只有少量关于提升光斑成像质量的报道；2020年yuanhui wen团队提出，将分检器中的傅里叶透镜设计成椭圆透镜，可以让ccd接收到的光斑从长条形变为圆形，能量更加集中；2022年zhibing liu团队利用泽尼克多项式法优化了分检器的各元件相位函数，从而改善了成像光斑的畸变，提高了光斑的清晰度。5.综上所述，现有坐标变换检测技术存在的主要问题为涡旋光oam态检测范围不够大，限制了其在自由空间光通信、量子计算等领域的实际应用。技术实现要素：6.本发明的目的在于针对上述现有光学oam态分检器的不足和缺陷，提出了一种识别范围更高的基于光束几何变换的紧凑型涡旋光oam态检测方法。7.本发明中，通过涡旋光束、加减法相位和oam态分检器进行几何变换检测和加减法相位的结合，实现对高oam态涡旋光束的检测。8.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：9.一种扩大涡旋光oam态分检器检测范围的装置，通过加减法相位的调制作用扩大坐标变换分检器的检测范围，包括光束调制部分、几何变换部分和光斑识别部分，几何变换部分置于光束调制部分和光斑识别部分之间，光斑识别部分为ccd相机和计算机，光束调制部分为沿入射待测光到光斑识别部分方向放置若干分束器组，在分束器两侧放置若干反射镜，利用分束器组将待测光均分为多束形成多个分路，反射镜将多束光束入射到多个分路上，在每个分路上，沿光束传波方向依次放置加减法器件、几何变换相位板、校正相位板和傅里叶透镜，每个分路上的加减法器件、几何变换相位板、校正相位板与傅里叶透镜处于同轴位置，ccd相机接收穿过傅里叶透镜的光束的光斑成像，导入计算机中进行光斑位置识别及判断oam的值。10.一种扩大涡旋光oam态分检器检测范围的方法，基于上述的扩大涡旋光oam态分检器检测范围的装置，将任意oam态复合涡旋光束作为待测光分束，在oam态检测部分结合加减法相位与分检器，构成新的检测通路，扩大传统坐标变换分检器的检测范围，具体的检测过程包括如下步骤：11.步骤1.待测涡旋光束的光场信息：根据菲涅尔衍射公式计算光束在自由空间传输的光场信息，模拟光束的传输过程，将传输后的光束作为接收到的待检测光束，记待检测光束的oam态为lii，ii表示任意oam态复合涡旋光中的某一个oam态；12.步骤2.调制待测光束oam态：将待测光束分为多束，分别入射到各检测分路中具有不同调制值的加减法相位上；使用加减法相位调制入射涡旋光的oam态，预先设置各分路加减法相位的oam态调制值δlj，δlj为整数，j＝1,2,...,n为分光路序数，n取正奇数为分光路总数；将待测光束入射到加减法相位上，每条分路上得到经调制的oam态为lii+δlj的调制光束；13.步骤3.计算待测光束的oam态：使用步骤2得到的各光路中调制光束，基于坐标变换的oam态分检器检测出待测光束所携带的oam态，首先建立分检器的数值模型，将调制光束的光场信息导入数值模型，此时在分检器的数值模型的成像平面获得各路调制光束oam态所对应的光斑位置信息，观察各分路分检器成像平面的成像结果，根据光斑的成像位置得到调制光束oam态l测，根据l测以及光斑所在分路的加减法相位调制值计算出待测光束的oam态为lii＝l测-δlj。14.进一步，步骤2所采用的加减法相位的相位分布为：ψ1(r1,θ1)＝exp(iδljθ1)，式中r1、θ1分别是加减法相位所在平面的径向坐标和角向坐标，δlj为加减法相位的oam态调制值，表示待测光经过加减法相位后oam态的变化量。15.进一步，步骤3中，具体的调制光束oam态检测步骤包括：16.步骤3.1扩束：通过扩束相位改变调制光束的出射角，使待检测光束从平行传输变为发散传输，增大光束半径，使待检测光束半径与几何变换相位板截面相适应；17.步骤3.2准直与变换：几何变换相位板上的相位为准直相位和变换与复制相位板的复合相位；几何变换相位板与扩束相位配合实现光束的γ倍放大；同时变换与复制相位对光场分布进行对数坐标-笛卡尔坐标几何变换，使涡旋光束中的螺旋波前相位exp(ilθ)转换为具有倾斜斜度的波前相位exp(ilx/β)，其中x是笛卡尔坐标，β是转换为矩形光的缩放参数；18.步骤3.3校正：通过校正相位板恢复几何变换引起的光束斜率的变化，使光束维持倾斜斜度的波前相位沿直线继续传输；19.步骤3.4聚焦成像：傅里叶透镜将不同倾斜斜率分布的光束分离成像于后焦面的不同水平位置，光斑识别部分接收此平面上分离出的光束光斑分布并导入计算机，根据光斑分布位置检测到的能量分布情况判断调制光束的oam态。20.综上所述，发明具有以下有益效果：21.本发明设计了一种加减法相位，用于调制光束oam态；本发明提出由加减法相位和坐标变换oam态分检器结合应用新检测方法，原理简单，易于实现，通过结合多组检测分路扩大了现有基于坐标变换分检器的oam态检测范围，并且可以对任意oam态复合的涡旋光进行分离与检测，实施例中的检测范围达到-37—+37；对未来涡旋光空间通信系统、量子计算等领域的研究有一定的参考价值。附图说明22.图1是本发明的方法流程图；23.图2是基于几何坐标变换oam态分检器检测过程示意图；24.图3是具体实施例的3光路搭载加减法相位的oam态分检器联合检测装置结构示意图；25.图4是oam态为-25和+30的复合待测光在各分路对应的调制光束经oam态分检器检测后，各成像平面的oam态能量占比图，即各路分检器的检测值；26.图5是具体实施例的工作流程图；27.图6是具体实施例各路分检器的检测值与待测光oam态对照表。28.图中：29.21—扩束相位板；22—几何变换相位板(准直+变换与复制复合相位)；23—校正相位板；24—傅里叶透镜；25—ccd相机；30.1—分束器(透反射比2:1)；2—分束器(透反射比1:1)；3—反射镜；4—加减法器件1(调制值+25，加载加减法相位+扩束复合相位)；5—加减法器件2(调制值+0，加载加减法相位+扩束复合相位)；6—加减法器件3(调制值-25，加载加减法相位+扩束复合相位)；7—几何变换相位板(准直+变换与复制复合相位)；8—校正相位板；9—傅里叶透镜；10—ccd；11—计算机。具体实施方式31.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。32.需要说明的是，为表述方便，下文中关于方向的表述与附图本身的方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用。33.如图1～6所示，本发明公开了一种扩大涡旋光oam态分检器检测范围的装置，通过加减法相位和光束几何变换扩大分检器的检测范围，包括光束调制部分、几何变换部分和光斑识别部分，几何变换部分置于光束调制部分和光斑识别部分之间。光斑识别部分为ccd相机10和计算机11，不同位置的光斑表示不同的oam态，根据成像特点，也可以选择光敏电阻或光度计组成的检测阵列；光束调制部分为沿入射待测光到光斑识别部分方向放置若干分束器组，在分束器两侧放置若干反射镜3，利用分束器组将待测光均分为多束形成多个分路，反射镜3将多束待测光入射到多个分路上；在每个分路上，沿光束传波方向依次放置加减法器件、几何变换相位板7、校正相位板8和傅里叶透镜9，每个分路上的几何变换相位板7、校正相位板8与傅里叶透镜9处于同轴位置，加减法器件调制入射待测光的oam态ccd相机10接收穿过傅里叶透镜9的光束的信号。几何变换相位板7、校正相位板8与傅里叶透镜9为传统坐标变换分检器的元件。在图2所示实施例中，设置了分束器组和三个加减法器件，将待测光分为三个分路。34.本发明基于坐标变换分检器，主要针对涡旋光oam态的检测范围不足的问题，在检测端通过一种结合加减法相位和光束几何变换的检测方法用于扩大现有坐标变换分检器的检测范围。将任意oam态复合涡旋光束作为待测光，在检测系统部分结合加减法相位与分检器，构成新的检测通路，利用加减法器件扩大原有的分检器的检测范围。通过matlab建模验证本发明的方法的有效性，具体的检测过程包括如下步骤：35.步骤1.接收待测涡旋光束的光场信息：利用matlab软件，根据菲涅尔衍射公式计算涡旋光在自由空间传输的光场信息，模拟涡旋光的传输过程，并将其作为待测光束，记该光束的oam态为lii，ii表示任意oam态复合涡旋光中的某一个oam态；其中，涡旋光包括不同种类的涡旋光。36.步骤2.采用所述加减法相位调制步骤1中待测光oam态：将待测光束分为多束，分别入射到各检测分路中具有不同调制值的加减法相位上。使用加减法相位调制入射涡旋光的oam态，预先设置加减法相位的oam态调制值δlj，δlj为整数。将待检测待测光入射到加减法相位上，得到经调制的oam态为lii+δlj的调制光束；针对oam态绝对值较大的待测光，通过设置δlj的值调制成oam态绝对值较小的调制光束。37.步骤3.计算各光路中待测光的oam态：使用步骤2得到的各光路中调制光束，基于坐标变换的oam态分检器检测出待测光所携带的oam态。首先建立分检器的数值模型，将调制光束的光场信息导入数值模型，此时在分检器的数值模型的成像平面获得各路调制光束oam态所对应的光斑分布，观察各分路分检器成像平面的成像结果，发现在某一分路的成像平面上会出现对应的光斑。通过计算机可以精确地确定光斑的成像位置，根据成像位置可得到调制光束oam态l测；根据l测以及光斑所在分路的加减法相位调制值计算出待测光的oam态为lii＝l测-δlj。此时，每条光路对应一个调制值和检测区间，当原有分检器的检测范围为[-l原，l原]，出现光斑的分光路所对应的检测范围为[-l原-δlj，l原-δlj]。[0038]如步骤3所述。利用多光路联合检测能扩大原oam态分检器检测范围；所述各分路调制值根据原oam态分检器的检测范围来设置，使各分路的检测区间连续地合并为大的检测区间。所述各分路调制值为δlj＝[(n+1)/2-j](2l原+1)，n取奇数为分光路的总数，j＝1,2,...,n为分光路序数，则各分路检测范围为[(1-n)/2-nl原,(1-n)/2-(2-n)l原]，...，[-l原，l原]，...，[(n-2)l原+(n-1)/2,nl原+(n-1)/2]。联合多路检测结果，检测系统的检测范围扩大为[(1-n)/2-nl原,nl原+(n-1)/2]。[0039]步骤1中的待测光为携带轨道角动量的涡旋光，本发明中使用完美涡旋光束(pov)，源场表达式：[0040][0041]式中r、θ分别表示源平面的径向坐标和角向坐标，lii是光束的拓扑荷数，wg是贝塞尔高斯光束的束腰，w0表示pov的环宽，r是pov的环半径，w0和r为可控参数。将多束拓扑荷值不同光束源场表达式相加，可得到复合的待测光束的光场分布。[0042]步骤2所采用的加减法相位的相位分布表示为：ψ1(r1,θ1)＝exp(iδljθ1)，式中r1、θ1是加减法相位所在平面的径向坐标和角向坐标，δlj为加减法相位的oam态调制值，表示待测光经过加减法相位调制后oam态的变化量，可选用相位型器件或振幅型器件。[0043]步骤3中，具体的调制光束oam态检测步骤包括：[0044]步骤3.1扩束：通过扩束相位改变调制光束的出射角，使光束从平行传输变为发散传输，增大光束半径，目的是使待光束半径与几何变换相位板截面相适应，充分利用器件面积；[0045]步骤3.2准直与变换：几何变换相位板上的相位为准直相位和变换与复制相位板的复合相位；扩束相位板实现光束扩张，准直相位结束光束扩张，恢复平行传输，几何变换相位板7与扩束相位配合实现光束的γ倍放大；同时变换与复制相位对光场分布进行对数坐标-笛卡尔坐标几何变换，使涡旋光束中的螺旋波前相位exp(ilθ)转换为具有倾斜斜度的波前相位exp(ilx/β)，其中x是笛卡尔坐标，β是转换为矩形光的缩放参数；[0046]步骤3.3校正：通过校正相位板(8)恢复几何变换引起的光束斜率的变化，使光束维持倾斜斜度的波前相位沿直线继续传输；[0047]步骤3.4聚焦成像：傅里叶透镜(9)将不同倾斜斜率分布的光束分离成像于后焦面的不同水平位置，光斑识别部分接收此平面上分离出的光束光斑分布并导入计算机，根据光斑分布位置检测到的能量分布情况判断调制光束的oam态；[0048]步骤3中，将处于同一平面不同功能相位两两相加，使离散的相位分布简化为由三个相位板和一个傅里叶透镜组合成的具有相位校正功能的紧凑型涡旋光oam态检测模型。在分检器模型的建立过程中，只需提取各平面的相位分布。[0049]扩束相位的作用是对光束进行扩束，使光束发散角变大，光环半径增大。扩束相位分布表示为：[0050][0051]式中，x1，y1为扩束相位所在平面的坐标，γ表示扩束相位放大倍数，γ为可调节参数，f是扩束相位与几何变换相位之间的距离。扩束相位可以和加减法相位处于同一平面，因此两个平面可以结合为一个平面上的相位分布，表示为：[0052][0053]几何变换相位板的作用是使扩束相位产生的光束发散角进行准直以及重构光波前信息，使极坐标系分布的图案映射为笛卡尔坐标系分布。对于携带oam态的涡旋光束，重构波前的主要目的是把其螺旋波前相位exp(ilθ)经变换相位板转换为具有倾斜斜度的波前相位exp(ilx/β)，其中x是笛卡尔坐标，β是环形涡旋光转换为矩形光的缩放参数。即涡旋光束经过几何变换相位板后，其光强分布由环形变换为矩形，几何变换相位板上的复合相位为准直相位加上变换与复制相位，其相位分布可以表示为：[0054][0055]其中为准直相位分布，x2，y2为几何变换相位板所在平面的坐标：[0056][0057]ψ2(x2,y2)为变换与复制相位：[0058][0059]式中，n是扇出元件(几何变换相位板与校正相位板中复制光束的部分)的复制倍数，d表示经几何变换相位板作用后生成的矩形光束长度，a、b为缩放参数，其中a＝d/2π，cm＝(2m-n-1)π为纵向调节参数，m是指复制光束的序数，通过参数cm调节每段复制出来的矩形光束，使光束实现纵向衔接。复制光束的目的是为了增加矩形光束的长度同时限制其宽度，使最终成像光斑宽度变窄，从而可以识别相邻oam态的光斑。[0060]校正相位板的作用是校正被几何变换相位板改变的各个坐标点上光束的斜率，使光束能再次平行传播，其相位可以表示为：[0061][0062]最后利用傅里叶透镜把重构后具有不同倾斜角度的波前成像于成像平面的不同水平位置上。此时携带不同oam态的涡旋光对应一个特定位置的光斑，因此可以通过成像平面上的光斑所在位置来判断光束的拓扑荷数。[0063]根据光束的传输理论，经计算，涡旋光束携带的拓扑荷数l将与成像平面上的光斑成像位置呈线性关系，其表达式表示为：t＝λflii/d，即相邻oam态光斑间的间隔为：δt＝λf/d；而每个光斑的宽度为：wii＝2λf/nd，与变换后矩形光束的长度d成反比。[0064]下面通过仿真实验对本发明的技术效果再做说明：[0065]实施例：[0066]模拟仿真，利用本发明对携带oam态为-25和+30的复合待测光检测进行了仿真，按照本发明的扩大oam模式分检器检测范围的方法进行仿真。[0067]仿真条件[0068]入射到本发明的待测光束参数设置：波长λ＝1550nm，拓扑荷数l1＝-25，l2＝+30，贝塞尔高斯光束的束腰wg＝2cm，pov的环宽w0＝1.6cm，pov的环半径r＝8cm；设置oam态分检器的检测范围为-12-+12，设置3条检测分路，加减法相位的调制值分别设置为δl1＝+25、δl2＝+0、δl3＝-25；基于坐标变换的oam态分检器参数设置：扩束镜的放大倍数γ＝4，复制倍数n＝2，因为计算机仿真实验中网格取点存在非连续性，所以在本实施例中，设置wl为3倍的网格间距，矩形光束长度d＝2λf/nwl，缩放参数a＝d/2π，b＝1cm，纵向调节参数cm＝(2m-n-1)π。[0069]仿真结果及分析[0070]仿真结果如图4，图中的3个图表分别是3条检测分路上成像平面处的oam态能量占比图，其中横坐标为oam态，纵坐标为能量比值，第1个接收屏为oam态调制值δl1＝+25的加减法相位所在分路成像平面，第2个接收屏为oam态调制值δl2＝+0的加减法相位所在分路成像平面，第3个接收屏为oam态调制值δl3＝-25的加减法相位所在分路成像平面。图中第1个图表显示oam态为0处的能量占比为0.47，第2个图表上未显示数值，表示第2个成像平面上没有光斑成像或者成像的光斑能量太弱而无法检测，第3个图表显示oam态为+5处的能量占比为0.42。能够明确地判断出本次测量的调制光束oam态为l测1＝0和l测3＝+5，从而计算出待测光的oam态为-25和+30，突破了原有oam态分检器-12-+12的检测范围限制。[0071]以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。









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