大口徑環(huán)形渦旋激光光束的產(chǎn)生和檢測

1、大口徑環(huán)形渦旋激光光束的產(chǎn)生和檢測摘要： 本文分別從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了渦旋光束的產(chǎn)生和干涉，理論上分析了 分?jǐn)?shù)階和整數(shù)階渦旋光束與球面波的干涉，對干涉條紋進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)觀察 結(jié)果與理論結(jié)果相符合,研究表明隨著渦旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)的改變，干涉條紋也 發(fā)生變化。這樣利用光軌道角動(dòng)量作為信息載體實(shí)現(xiàn)光通信，有望極大地提高通 信的安全性、容量以及數(shù)據(jù)的傳輸速率。關(guān)鍵詞：大口徑渦旋光束；拓?fù)浜蓴?shù)；軌道角動(dòng)量；干涉；光通信1引言渦旋光束是具有螺線行相位分布的光束，其表達(dá)式中帶有相位因 子exp（7。），在其傳播方向上，每個(gè)光子攜帶有數(shù)值為lh（ l稱為光 波波束的拓?fù)浜桑┑能壍澜莿?dòng)量，其中l(wèi)稱為拓?fù)浜蓴?shù)

2、。由于渦旋光 束具有軌道角動(dòng)量lh，所攜帶的軌道角動(dòng)量可以傳遞給微粒，驅(qū)動(dòng)微 粒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對微粒的俘獲、平移等等。信息安全和大容量光通信技術(shù)一直是通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年 來渦旋光束的產(chǎn)生及其傳輸特性引起了人們廣泛的興趣。渦旋光束在 信息編碼上有很大的應(yīng)用前景，利用渦旋光束的軌道角動(dòng)量可對信息 進(jìn)行編碼和傳輸。在通常的空間（大氣）光通信研究中，常用的編碼 調(diào)制方案是強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測（IM-DD）方案，所涉及的物理參量 主要是光的強(qiáng)度、偏振態(tài)和調(diào)制頻率等等。而利用渦旋光束進(jìn)行的信 息編碼具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）光渦旋場是一種具有螺旋波前相 位的電磁波（光波），在通信中若應(yīng)用渦旋光束的軌道角動(dòng)

3、量進(jìn)行編 碼，由于光束的軌道角動(dòng)量可以取1,2 ,3等整數(shù),也可以取分?jǐn)?shù)，這大 大地加大了信息編碼的容量，并且基于渦旋光束的信息編碼還具有更 高的保密相對于傳統(tǒng)的二進(jìn)制編碼而言，就可以有效地提高數(shù)據(jù)傳輸 容量，即具有更高的編碼能力；（2）渦旋光束中角的位置（angular position）與拓?fù)浜蒳之間滿足不確定性關(guān)系，這意味著對于測量而 言，要使測得的軌道角動(dòng)量誤差足夠小，則測量角位置的范圍就應(yīng)該 足夠大，這說明，如果應(yīng)用軌道角動(dòng)量編碼進(jìn)行通信，則任何竊聽信 息者都不可能接受到完整而準(zhǔn)確的信息，也就不可能精確測得光束的 軌道角動(dòng)量，即運(yùn)用軌道角動(dòng)量進(jìn)行編碼的光通信有更高的保密性， 具有防竊

4、聽的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于如何從一個(gè)激光高斯基模變換到渦旋光束，有關(guān)學(xué)者已經(jīng)提 出了許多方法，比如在腔內(nèi)放螺旋位相片直接產(chǎn)生，用計(jì)算機(jī)得到的 位相片產(chǎn)生，用柱面鏡或楔形鏡產(chǎn)生光學(xué)渦旋，此外，在光纖中光渦 旋場也能產(chǎn)生?，F(xiàn)有的方法所產(chǎn)生的光束直徑和光功率一般都很小， 只能應(yīng)用于“光學(xué)扳手”，如操控原子、微粒和細(xì)胞等。本文研究的一 種大口徑環(huán)形渦旋激光光束的產(chǎn)生和檢測方法，可應(yīng)用于空間（大氣） 光通信中。2實(shí)驗(yàn)裝置及原理圖1所示為一螺旋相位板，該相位板的作用是可以使入射光斑產(chǎn) 生一個(gè)隨方位角變化的相位延遲。這種相位板是在高溫真空箱中壓制 而成的，光學(xué)系統(tǒng)有效通光孔徑為.，相位板的透過率函數(shù)可表示為Pt七職式中

5、：r和0是圓柱坐標(biāo)。b y 0aotherwise圖1螺旋相位板的相位分布圖2實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，He-Ne激光器發(fā)出的光（近似平面波），經(jīng)一組透鏡擴(kuò)束后照射到圖1所示的環(huán)形相位板上，這樣透過半徑rv b的部分依然是平面波，而半徑b r （3）根據(jù)以上公式模擬出由這一系統(tǒng)得到的干涉圖樣，如下所示:圖3干涉圖（L分別取1, 2, 3,由圖3可知，球面波與渦旋光的干涉圖為螺線形明暗相間的環(huán)形 條紋，隨著拓?fù)潆姾蓴?shù)的改變干涉條紋也相應(yīng)發(fā)生變化，由中心發(fā)出 亮紋數(shù)隨著拓?fù)浜蓴?shù)的增加而增加，且亮紋數(shù)與拓?fù)浜蓴?shù)相等。而無 論拓?fù)浜蓴?shù)為多少，由此系統(tǒng)得到的干涉圖形中心總有一圓形暗斑， 這一暗斑是有球面波直接照射在接收平面上所得到的。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論5結(jié)束語帶有角動(dòng)量的光束的應(yīng)用隨著理論和實(shí)踐的發(fā)展變的更為廣泛， 具有巨大的應(yīng)用前景。由于光束軌道角動(dòng)量狀態(tài)數(shù)只受到一些物理實(shí) 際條件的限制，利用光軌道角動(dòng)量作為信息載體實(shí)現(xiàn)光通信，有望極 大地提高通信的安全性、容量以及數(shù)據(jù)的傳輸速率。目前具有軌道角 動(dòng)量光束實(shí)現(xiàn)光通信