一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心光束方法

本发明属于光通信，具体为一种使用带轨道角动量的异常空心光，产生高精度准直空心激光束方法。

背景技术：

1、在现代科技的驱动下，光通信技术正在以前所未有的速度发展。其中，空心光束作为一种新兴的技术手段，因其具有暗斑尺寸小、无加热效应、传播不变性、桶状强度分布和传输过程中“自焦距”等物理特性，在生物技术、材料科学、原子陷阱、同位素分离、粒子波导乃至激光测距、光信息通信、扫描成像等领域中发挥着巨大潜能并具有广阔的应用前景。

2、空心光束，顾名思义，就是中心光强为零的光束，其发散角微小且方向性强，因而具有较高的军事保密性。然而，由于其在产生和传输过程中的复杂性，空心光束的研究和应用一直是一个挑战。早在上世纪九十年代，科学家们就开始了对空心光束的研究和探索。例如，tamm等人利用横模选择法采用单纵模激光器产生了空心光束，而yin等人则通过几何方法获得了一束宽度半径比为且径向强度分布具有双高斯特性的准直型空心光束。

3、随着技术的发展，空心光束的应用领域也在不断拓宽。2010年，马亮和吴逢铁运用几何原理和波导理论分析计算了无衍射光经过环形障碍物后的重建过程，成功地得到了中心光强为零的局域空心光束。这一发现极大地改善了光通信天线次镜中心部分反射造成的能量损耗，从而提高了光学天线的发射精度和传输效率。

4、然而，现有的空心光束产生方法仍存在一些不足，如难以解决天线次镜遮挡问题，无法减小出射光束的发散角等。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提出一种产生高精度准直空心光束的新方法，将螺旋相位板，空间光调制器等方法产生的带轨道角动量的空心光束，转换成高精度准直空心光束，有效解决天线次镜遮挡问题，减小出射光束发散角和提高天线传输效率。

2、本发明采用的技术方案可概括为：由螺旋相位板，空间光调制器等方法产生的带轨道角动量的空心光束经过可调节参数卡塞格伦天线后，转化成了一种高精度准直空心光束，该光束具有微弧度级的小的发散角，和较高的传输效率。

3、本发明中的卡塞格伦天线由两个旋转抛物面组成，主镜旋转抛物面的右焦点与次镜旋转抛物面的右焦点重合。

4、本发明中采用的光学系统设计方法是基于三维矢量反射定律和标量衍射理论，建立三维模型和三维光线，利用matlab程序对光学系统结构和光线仿真和优化，对光学系统中的光线在自由空间传输进行三维追迹，得到各种光学参数和仿真图。具体包括：1)产生高精度准直空心光方案图；2)卡塞格伦天线结构图；3)带有轨道角动量的异常空心光在天线中的传播示意图；4)传播距离为1m时，光场强度和相位随拓扑荷数变化图；5)纵向光场随距离和拓扑荷数变化图；6)发散角随传播距离变曲线图；7)传输效率随距离和拓扑荷数变化曲线图。

技术特征：

1.一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心光束光学方法，其特征在于适用于螺旋相位板，空间光调制器等方法产生的带轨道角动量的光束，该方法所用的系统为结构简单，易于加工的传统的卡塞格伦天线，该天线由两个旋转抛物面组成，该方法能够有效解决天线次镜遮挡问题，减小出射光束发散角和提高天线传输效率。

2.根据权利要求1所述的一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心束光学方法，其特征在于所述源平面光场使用的是带有轨道角动量的异常空心光束，由特定的函数决定，而不是单纯由半导体激光器产生的激光光束。

3.根据权利要求1所述的一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心束光学方法，其特征在于所述空心光场在传播过程中，遵循标量衍射理论。

4.根据权利要求1所述的一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心束光学方法，其特征在于所述卡塞格伦天线系统中，主镜旋转抛物面的右焦点与次镜旋转抛物面的右焦点重合，带轨道角动量的异常空心光束经过主次镜后被准直为高精度准直的空心光束。

5.根据权利要求1所述的一种用带轨道角动量的空心光束产生高精度准直的空心束光学方法，其特征在于所述空心光束转化方法是基于三维矢量反射定律，建立三维模型和三维光线，利用matlab程序对光学系统结构和光线仿真和优化，对光学系统中的光线在自由空间传输进行三维追迹，得到各种光学参数和仿真图。

技术总结本发明属于光通信技术领域，具体为一种使用带轨道角动量的异常空心光，产生高精度准直空心激光束方法。该方法使用了带轨道角动量的异常空心光束，而不是单纯由半导体激光器所产生的激光光束，来作为源平面光场，具有鲜明地创新性。本发明采用的技术方案可概括为：由螺旋相位板，空间光调制器等方法产生的带轨道角动量的空心光束经过可调节参数卡塞格伦天线后，转化成了一种高精度准直空心光束，该光束具有微弧度级的小的发散角(最高精度为0.228微弧度)，和较高的传输效率。技术研发人员：汪靖轶,柏晨曦,杨华军受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29