基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测研究

庄京秋; 熊晗; 虞天成; 陈静; 郑金湖

doi:10.37188/OPE.20223012.1394

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测研究

现代应用光学 | 更新时间：2022-06-25

- 基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测研究
- Orbital angular momentum detection of vortex beam based on soft-edge aperture
- 光学精密工程 2022年30卷第12期页码：1394-1405
- 作者机构：
  
  1.苏州科技大学物理科学与技术学院，江苏苏州 215009
  2.南京电子设备研究所，江苏南京 210007
- 作者简介：
  
  [ "庄京秋（1997-），男，江苏泰州人，硕士研究生，主要从事光束变换和涡旋光方面的研究。E-mail：1274316814@qq.com" ]
  [ "熊　晗（1980-），男，江西高安人，博士，副教授，硕士生导师，2015年于苏州大学现代光学技术研究所获工学博士学位，主要从事高功率激光和涡旋光方面的研究。E-mail：xh1980xh@126.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(11504255);“十四五”江苏省重点学科资助项目(2021135)
- DOI：10.37188/OPE.20223012.1394
  中图分类号： O436
- 收稿日期：2022-02-27，
  
  修回日期：2022-04-18，
  
  纸质出版日期：2022-06-25
- 稿件说明：
移动端阅览
庄京秋,熊晗,虞天成等.基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测研究[J].光学精密工程,2022,30(12):1394-1405.

ZHUANG Jingqiu,XIONG Han,YU Tiancheng,et al.Orbital angular momentum detection of vortex beam based on soft-edge aperture[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(12):1394-1405.
庄京秋,熊晗,虞天成等.基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测研究[J].光学精密工程,2022,30(12):1394-1405. DOI： 10.37188/OPE.20223012.1394.

ZHUANG Jingqiu,XIONG Han,YU Tiancheng,et al.Orbital angular momentum detection of vortex beam based on soft-edge aperture[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(12):1394-1405. DOI： 10.37188/OPE.20223012.1394.

摘要

涡旋光束携带的轨道角动量在自由空间光通信中具有非常重要的意义。本文采用软边小孔改进了基于小孔衍射的涡旋光束轨道角动量检测技术。相比硬边小孔，软边小孔的菲涅尔衍射具有一定的收敛性，能够提高远场衍射分布中主亮斑对次亮斑的相对强度，从而提高主亮斑的可识别度并且拓展基于小孔衍射的轨道角动量范围。通过计算远场衍射中主、次亮斑的强度对比值和主亮斑区域波峰、波谷强度平均对比值来选取合适的超高斯阶数以达到最佳的检测效果。结合理论模拟和实验可知，采用软边矩孔可将涡旋光拓扑荷的可检测范围从硬边矩孔的20阶进一步提高到30阶，采用软边三角孔可将检测范围从±10阶提高到±20阶。

Abstract

The orbital angular momentum propagated by a vortex beam is very important in free-space optical communication. In this study， a soft-edged aperture was used to improve the orbital angular momentum detection technology of a vortex beam based on aperture diffraction. The Fresnel diffraction of soft-edged apertures has a certain degree of convergence compared with hard-edged apertures. This can increase the relative intensity of the primary bright spots to the secondary bright spots in far-field diffraction distribution， thereby improving the recognizability of the primary bright spots and expanding the range of orbital angular momentum based on aperture diffraction. The best detection effect was achieved using the primary and secondary bright spots intensity contrast values in far-field diffraction and the peak and trough intensities average contrast values in the primary bright spot area under the appropriate super-gaussian orders. By combining theoretical simulations and experiments， it can be seen that the use of rectangular soft-edged apertures can further increase the detection range of vortex optical topological charges from the 20th order to the 30th order， and the use of triangular soft-edged apertures can increase the detection range from the ±10th order to ±20th order.

关键词

Keywords

references

袁小聪，贾平，雷霆，等 . 光学旋涡与轨道角动量光通信［J］. 深圳大学学报（理工版）， 2014 ， 31 （ 4 ）： 331 - 346 . doi: 10.3724/SP.J.1249.2014.04331 http://dx.doi.org/10.3724/SP.J.1249.2014.04331

YUAN X C ， JIA P ， LEI T ， et al . Optical vortices and optical communication with orbital angular momentum ［J］. Journal of Shenzhen University Science and Engineering ， 2014 ， 31 （ 4 ）： 331 - 346 . （in Chinese） . doi: 10.3724/SP.J.1249.2014.04331 http://dx.doi.org/10.3724/SP.J.1249.2014.04331

马秀波，李恩邦 . 超高斯贝塞尔光束在湍流大气中的传播［J］. 光学精密工程， 2009 ， 17 （ 12 ）： 2919 - 2923 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.12.007 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.12.007

MA X B ， LI E B . Propagation of SGB beam in turbulent atmosphere ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2009 ， 17 （ 12 ）： 2919 - 2923 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.12.007 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.12.007

GIBSON G ， COURTIAL J ， PADGETT M ， et al . Free-space information transfer using light beams carrying orbital angular momentum ［J］. Optics Express ， 2004 ， 12 （ 22 ）： 5448 - 5456 . doi: 10.1364/opex.12.005448 http://dx.doi.org/10.1364/opex.12.005448

MAIR A ， VAZIRI A ， WEIHS G ， et al . Entanglement of the orbital angular momentum states of photons ［J］. Nature ， 2001 ， 412 （ 6844 ）： 313 - 316 . doi: 10.1038/35085529 http://dx.doi.org/10.1038/35085529

BEIJERSBERGEN M W ， ALLEN L ， VAN DER VEEN H ， et al . Astigmatic laser mode converters and transfer of orbital angular momentum ［J］. Optics Communications ， 1993 ， 96 （ 1/2/3 ）： 123 - 132 . doi: 10.1016/0030-4018(93)90535-d http://dx.doi.org/10.1016/0030-4018(93)90535-d

BEKSHAEV A Y ， SOSKIN M S ， VASNETSOV M V . Transformation of higher-order optical vortices upon focusing by an astigmatic lens ［J］. Optics Communications ， 2004 ， 241 （ 4/5/6 ）： 237 - 247 . doi: 10.1016/j.optcom.2004.07.023 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2004.07.023

HARRIS M ， HILL C A ， TAPSTER P R ， et al . Laser modes with helical wave fronts ［J］. Physical Review A， Atomic， Molecular， and Optical Physics ， 1994 ， 49 （ 4 ）： 3119 - 3122 . doi: 10.1103/physreva.49.3119 http://dx.doi.org/10.1103/physreva.49.3119

CHEN L X ， ZHANG W H ， LU Q H ， et al . Making and identifying optical superpositions of high orbital angular momenta ［J］. Physical Review A ， 2013 ， 88 （ 5 ）： 053831 . doi: 10.1103/physreva.88.053831 http://dx.doi.org/10.1103/physreva.88.053831

VICKERS J ， BURCH M ， VYAS R ， et al . Phase and interference properties of optical vortex beams ［J］. Journal of the Optical Society of America A， Optics， Image Science， and Vision ， 2008 ， 25 （ 3 ）： 823 - 827 . doi: 10.1364/josaa.25.000823 http://dx.doi.org/10.1364/josaa.25.000823

LIU R F ， LONG J L ， WANG F R ， et al . Characterizing the phase profile of a vortex beam with angular-double-slit interference ［J］. Journal of Optics ， 2013 ， 15 （ 12 ）： 125712 . doi: 10.1088/2040-8978/15/12/125712 http://dx.doi.org/10.1088/2040-8978/15/12/125712

ZHOU H L ， SHI L ， ZHANG X L ， et al . Dynamic interferometry measurement of orbital angular momentum of light ［J］. Optics Letters ， 2014 ， 39 （ 20 ）： 6058 - 6061 . doi: 10.1364/ol.39.006058 http://dx.doi.org/10.1364/ol.39.006058

FU D Z ， CHEN D X ， LIU R F ， et al . Probing the topological charge of a vortex beam with dynamic angular double slits ［J］. Optics Letters ， 2015 ， 40 （ 5 ）： 788 - 791 . doi: 10.1364/ol.40.000788 http://dx.doi.org/10.1364/ol.40.000788

高福海，陈宝算，蒲继雄，等 . 拉盖尔-高斯光束经单缝后的光强分布和螺旋谱［J］. 激光与光电子学进展， 2011 ， 48 （ 9 ）： 090501 . doi: 10.3788/LOP48.090501 http://dx.doi.org/10.3788/LOP48.090501

GAO F H ， CHEN B S ， PU J X ， et al . Intensity distribution and spiral spectra of laguerre-Gaussian beam passing through a single-slit ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2011 ， 48 （ 9 ）： 090501 . （in Chinese） . doi: 10.3788/LOP48.090501 http://dx.doi.org/10.3788/LOP48.090501

DE ARAUJO L E E ， ANDERSON M E . Measuring vortex charge with a triangular aperture ［J］. Optics Letters ， 2011 ， 36 （ 6 ）： 787 - 789 . doi: 10.1364/ol.36.000787 http://dx.doi.org/10.1364/ol.36.000787

MESQUITA P H F ， JESUS-SILVA A J ， FONSECA E J S ， et al . Engineering a square truncated lattice with light's orbital angular momentum ［J］. Optics Express ， 2011 ， 19 （ 21 ）： 20616 - 20621 . doi: 10.1364/oe.19.020616 http://dx.doi.org/10.1364/oe.19.020616

SILVA J G ， JESUS-SILVA A J ， ALENCAR M A R C ， et al . Unveiling Square and triangular optical lattices： a comparative study ［J］. Optics Letters ， 2014 ， 39 （ 4 ）： 949 - 952 . doi: 10.1364/ol.39.000949 http://dx.doi.org/10.1364/ol.39.000949

MA Y F ， FAN Z W ， QIU J S ， et al . High quality beam shaping by square soft-edge diaphragm combined with liquid crystal spatial light modulator ［J］. Chinese Optics Letters ， 2010 ， 8 （ 2 ）： 134 - 137 . doi: 10.3788/col20100802.0134 http://dx.doi.org/10.3788/col20100802.0134

谌娟，柯熙政，杨一明 . 拉盖尔高斯光的衍射和轨道角动量的弥散［J］. 光学学报， 2014 ， 34 （ 4 ）： 256 - 262 . doi: 10.3788/aos201434.0427001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201434.0427001

CHEN J ， KE X Z ， YANG Y M . Laguerre-Gaussian beam diffraction and dispersion of the orbital angular momentum ［J］. Acta Optica Sinica ， 2014 ， 34 （ 4 ）： 256 - 262 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201434.0427001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201434.0427001

吴翠翠，高福华，黄德权，等 . 基于灰阶编码方法设计制作软边狭缝光阑［J］. 四川大学学报（自然科学版）， 2011 ， 48 （ 2 ）： 373 - 377 . doi: 10.3969/j.issn.0490-6756.2011.02.023 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0490-6756.2011.02.023

WU C C ， GAO F H ， HUANG D Q ， et al . Design and fabrication of a slot aperture apodizer borrowed from the idea of gray-tone coding ［J］. Journal of Sichuan University （Natural Science Edition）， 2011 ， 48 （ 2 ）： 373 - 377 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.0490-6756.2011.02.023 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0490-6756.2011.02.023

郑玉霞，林尊琪，余文炎 . 乳胶型超高斯软边光阑［J］. 光学学报， 1982 ， 2 （ 5 ）： 477 - 480 . doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.1982.05.021 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0253-2239.1982.05.021

ZHENG Y X ， LIN Z Q ， YU W Y . Super-Gaussian photographic-plate apodizing aperture ［J］. Acta Optica Sinica ， 1982 ， 2 （ 5 ）： 477 - 480 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.1982.05.021 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0253-2239.1982.05.021

刘天宇 . 软边光阑在高功率固体激光器中应用的工程化研究［D］. 南京：南京理工大学， 2014 . doi: 10.14257/astl.2014.45.21 http://dx.doi.org/10.14257/astl.2014.45.21

LIU T Y . Engineering Research on the Application of Soft-edge Aperture in High-power Solid-state Lasers ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Science and Technology ， 2014 . （in Chinese） . doi: 10.14257/astl.2014.45.21 http://dx.doi.org/10.14257/astl.2014.45.21

TIAN Y ， XU R ， YE J S ， et al . Serrated edge design and field analysis in spatial， time， and angular domains for improving the field uniformity of beam combiner ［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation ， 2016 ， 64 （ 3 ）： 968 - 976 . doi: 10.1109/tap.2016.2515093 http://dx.doi.org/10.1109/tap.2016.2515093

孙明哲，张红鑫，卢振武，等 . 锯齿型外掩体设计和衍射光强检测［J］. 光学精密工程， 2015 ， 23 （ 1 ）： 70 - 77 . doi: 10.3788/OPE.20152301.0070 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20152301.0070

SUN M Z ， ZHANG H X ， LU Z W ， et al . Design and diffraction intensity test of toothed occulter ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2015 ， 23 （ 1 ）： 70 - 77 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20152301.0070 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20152301.0070

浏览量

737

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于飞秒激光的可运动微结构加工与旋转驱动

用于应力测量的可调谐光栅

大曲率弧矢弯曲复合晶体的研制

利用空间光调制器的衍射特性提高VLC输出相关峰值

基于MEMS的数字式太阳敏感器光学系统设计