一种基于非傍轴坐标变换的涡旋光模式检测方法及系统与流程

技术特征：
1.一种基于非傍轴坐标变换的涡旋光模式检测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将携带有轨道角动量的涡旋光输入到第一个相位板，第一个相位板位于平面(x,y)；s2：经过第一个相位板后，光束以特定的角度出射，同时沿着螺旋路径展开，形成长条型光斑；s3：在反射层的作用下，光束改变传播方向并经过第二个相位板以消除非傍轴螺旋变换引入的畸变相位，第二个相位板位于平面(u,v)；s4：经过第二个相位板的调制后，光束通过凸透镜并会聚在凸透镜后焦平面的不同空间位置，所述凸透镜后焦平面位于平面(x
m
,y
m
)。2.如权利要求1所述的一种基于非傍轴坐标变换的涡旋光模式检测方法，其特征在于：所述步骤s1中第一个相位板位于平面(x,y)，其相位分布q(x,y)可用偏微分方程组表示:上式中，k是入射光在第一和第二个相位板之间的传播常数，d1和d2分别是第一和第二个相位板与反射层的垂直距离，所述的(u0,v0)与坐标映射有关，满足：其中a和r0是与螺旋线相关的参数，β是光斑尺寸缩放参数，s
u
和s
v
分别是光束在第二个相位板所在平面(u,v)沿着u和v轴的偏移量，(r,θ)为平面(x,y)的螺旋极坐标形式，满足：其中表示取整操作，半径r和角度θ
p
分别满足和θ
p
＝tan-1
(y/x)。3.如权利要求1所述的一种基于非傍轴坐标变换的涡旋光模式检测方法，其特征在于：所述步骤s2中光束经过第一个相位板后的出射角度在球坐标下可表示为：其中，d1和d2分别是第一和第二个相位板与反射层的垂直距离，s
u
和s
v
分别是光束在第二个相位板所在平面(u,v)沿着u和v轴的偏移量。4.如权利要求1所述的一种基于非傍轴坐标变换的涡旋光模式检测方法，其特征在于：所述步骤s3中第二个相位板位于平面(u,v)，其相位分布p(u,v)可表示为:
p(u,v)＝-{tan-1
[im(e1)/re(e1)]-tan-1
[im(e0)/re(e0)]}其中im和re分别表示虚部和实部，e0是入射到第一个相位板的电场，e1是入射到第二个相位板的电场，两者满足：上式中，a为涡旋光的复振幅，i为虚数，l为轨道角动量的拓扑荷数，f和f-1
分别是傅里叶变换和逆傅里叶变换操作，k
z
是入射光传播常数k沿着z方向的分量。5.如权利要求1所述的一种基于非傍轴坐标变换的涡旋光模式检测方法，其特征在于：所述步骤s4中经过第二个相位板和凸透镜后的光束会聚在凸透镜后焦平面(x
m
,y
m
)上，满足：上式中，f是凸透镜的焦距，λ是入射光的波长，β是光斑尺寸缩放参数，l为轨道角动量的拓扑荷数。6.如权利要求1所述的一种基于非傍轴坐标变换的涡旋光模式检测方法，其特征在于：所述第一个相位板平面(x,y)、反射层、平面(u,v)和平面(x
m
,y
m
)相互平行，同时平面(x,y)和平面(u,v)的中心坐标重合。7.一种基于非傍轴坐标变换的涡旋光模式检测系统，其特征在于，包括非傍轴螺旋坐标变换模块、反射层和光强检测模块，其中：所述的非傍轴螺旋坐标变换模块由两个相位板组成，其中第一个相位板位于平面(x,y)，第二个相位板位于平面(u,v)；所述的光强检测模块由凸透镜和相机组成，所述凸透镜的前焦平面和后焦平面分别与平面(u,v)和平面(x
m
,y
m
)重叠，所述的相机放置在平面(x
m
,y
m
)上。8.如权利要求7所述的一种基于非傍轴坐标变换的涡旋光模式检测系统，其特征在于：所述第一个相位板、第二个相位板用空间光调制器、超构表面和衍射光学元件实现。9.如权利要求7所述的一种基于非傍轴坐标变换的涡旋光模式检测系统，其特征在于：所述的反射层使用不限于金、银、铝材料制成的平面反射镜来实现。

技术总结
本发明公开了一种基于非傍轴坐标变换的涡旋光模式检测方法和系统。方法包括：将带有轨道角动量的涡旋光输入到第一个相位板，在非傍轴螺旋变换的作用下，光束以特定的角度出射，同时沿着螺旋路径展开，形成长条型光斑；在反射层的作用下，光束经过第二个相位板，该相位板用来消除坐标变换引入的畸变相位；最后光束经过凸透镜被会聚在后焦平面上，通过分析光斑位置即可测量涡旋光模式。本发明采用非傍轴近似设计，不仅提高了系统的集成度，而且解决了光学坐标变换的对准问题，实现了高精度的涡旋光模式检测，非常适合应用于需要测量光子轨道角动量的光通信和量子通信等领域。道角动量的光通信和量子通信等领域。道角动量的光通信和量子通信等领域。


技术研发人员：陈钰杰 王柏铭 余思远
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/25