大口径环形涡旋激光光束的产生和检测

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1、大口径环形涡旋激光光束的产生和检测摘要：　本文分别从理论和实验上研究了涡旋光束的产生和干涉，理论上分析了分数阶和整数阶涡旋光束与球面波的干涉，对干涉条纹进行观察发现，实验观察结果与理论结果相符合,研究表明随着涡旋光束的拓扑荷数的改变，干涉条纹也发生变化。这样利用光轨道角动量作为信息载体实现光通信，有望极大地提高通信的安全性、容量以及数据的传输速率。关键词：大口径涡旋光束；拓扑荷数；轨道角动量；干涉；光通信1引言涡旋光束是具有螺线行相位分布的光束，其表达式中带有相位因子，在其传播方向上，每个光子携带有数值为

2、（称为光波波束的拓扑荷）的轨道角动量，其中称为拓扑荷数。由于涡旋光束具有轨道角动量，所携带的轨道角动量可以传递给微粒，驱动微粒旋转，实现对微粒的俘获、平移等等。信息安全和大容量光通信技术一直是通信领域的研究热点。近年来涡旋光束的产生及其传输特性引起了人们广泛的兴趣。涡旋光束在信息编码上有很大的应用前景，利用涡旋光束的轨道角动量可对信息进行编码和传输。在通常的空间（大气）光通信研究中，常用的编码调制方案是强度调制-直接检测（IM-DD）方案，所涉及的物理参量主要是光的强度、偏振态和调制频率等等。而利用涡旋光

3、束进行的信息编码具有很多独特的优点：（1）光涡旋场是一种具有螺旋波前相位的电磁波（光波），在通信中若应用涡旋光束的轨道角动量进行编码，由于光束的轨道角动量可以取1,2,3等整数,也可以取分数,这大大地加大了信息编码的容量,并且基于涡旋光束的信息编码还具有更高的保密相对于传统的二进制编码而言，就可以有效地提高数据传输容量，即具有更高的编码能力；（2）涡旋光束中角的位置（angularposition）与拓扑荷之间满足不确定性关系，这意味着对于测量而言，要使测得的轨道角动量误差足够小，则测量角位置的范围就应该

4、足够大，这说明，如果应用轨道角动量编码进行通信，则任何窃听信息者都不可能接受到完整而准确的信息，也就不可能精确测得光束的轨道角动量，即运用轨道角动量进行编码的光通信有更高的保密性，具有防窃听的优点。关于如何从一个激光高斯基模变换到涡旋光束，有关学者已经提出了许多方法，比如在腔内放螺旋位相片直接产生，用计算机得到的位相片产生，用柱面镜或楔形镜产生光学涡旋，此外,在光纤中光涡旋场也能产生。现有的方法所产生的光束直径和光功率一般都很小，只能应用于“光学扳手”，如操控原子、微粒和细胞等。本文研究的一种大口径环形涡

5、旋激光光束的产生和检测方法，可应用于空间（大气）光通信中。2实验装置及原理图1所示为一螺旋相位板,该相位板的作用是可以使入射光斑产生一个随方位角变化的相位延迟。这种相位板是在高温真空箱中压制而成的，光学系统有效通光孔径为，相位板的透过率函数可表示为式中:r和φ是圆柱坐标。图1螺旋相位板的相位分布图2实验装置图实验装置如图2所示，He-Ne激光器发出的光（近似平面波），经一组透镜扩束后照射到图1所示的环形相位板上，这样透过半径的部分依然是平面波，而半径之间的部分则产生涡旋光。然后在相位板后放置一个与相位板有

6、效通光孔径尺寸相当的透镜，这样透过相位板的那部分平面波就转化为球面波，而涡旋光则以原状态传输，所得的球面波与涡旋光干涉，通过PD观察干涉图形。可以通过改变螺旋相位板的拓扑电荷数实现不同涡旋光束的输出进而得到不同的干涉图样。3理论分析和模拟结果涡旋光束的电场可表示为：(1)其中为振幅，为简单起见，令其为常数，为涡旋光束的拓扑荷数。球面波的电场可表示为：(2)其中：和为常数，令，则干涉后得到的光强分布为：(3)根据以上公式模拟出由这一系统得到的干涉图样，如下所示：图3干涉图（L分别取1，2，3，……，16）由

7、图3可知，球面波与涡旋光的干涉图为螺线形明暗相间的环形条纹，随着拓扑电荷数的改变干涉条纹也相应发生变化，由中心发出亮纹数随着拓扑荷数的增加而增加，且亮纹数与拓扑荷数相等。而无论拓扑荷数为多少，由此系统得到的干涉图形中心总有一圆形暗斑，这一暗斑是有球面波直接照射在接收平面上所得到的。4实验结果与讨论5结束语带有角动量的光束的应用随着理论和实践的发展变的更为广泛，具有巨大的应用前景。由于光束轨道角动量状态数只受到一些物理实际条件的限制，利用光轨道角动量作为信息载体实现光通信，有望极大地提高通信的安全性、容量以

8、及数据的传输速率。目前具有轨道角动量光束实现光通信还主要集中在自由空间光通信方面，但是随着对有轨道角动量光束控制研究的深入，也可以用于光纤通信。考虑到诸如传输距离等通信要求，轨道角动量用于通信的编码原理有待进一步研究。