1.本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种光束角动量滤波器。
背景技术：
2.角动量是一项用来描述物体旋转运动状态的基本物理量。与宏观物体类似，光子也可携带角动量。光 子携带的角动量(total angular momentum,tam)由自旋角动量(spin angular momentum,sam)和轨道角 动量(orbital angular momentum,oam)两部分组成。其中，sam描述了光子的自旋性质，具有-1和+1两 个本征值，可表示为|σ＝-1》和|σ＝+1》，分别对应于宏观上的左旋和右旋圆偏振态。oam描述了光子的波前 性质，它与光束的螺旋波前相关，其本征值l可为任意整数，称作拓扑荷数或角量子数或oam阶次，因 此oam可表示为|l》。携带有oam的光束的复振幅中包含有螺旋相位项其中为角向坐标。在 傍轴近似下，光子携带的tam值为其中为约化普朗克常量。光子tam及其与宏观上光束偏振 和光场结构的关联对于光学的基础研究具有重要意义。同时，由于tam同时包含sam和oam两个自由 度，携带有tam的光束可以极大地拓展光通信信道容量，在大容量光通信及高维量子通信方面具有极高 的应用价值。
3.对于基于tam复用的光通信系统，在接收端将传输的携带有tam的光束解复用，使携带有不同tam 成分的光束分离，并滤除其中不需要的tam模式，最后解码即可得到传输的信息。目前已有的滤波方法 主要针对于oam滤波，无法同时实现sam和oam的滤除，即tam的滤除。oam滤波常用的方法是 螺旋相位反转换法，通过为传输光束引入的拓扑电荷相反的相位，使传输光束中所包含的oam模式分别 转化为0阶，再用小孔光阑空间滤出中心亮斑，才能实现不同oam模式的分离。然而这种方法模式间串 扰不易消除，系统准直要求高，调节起来较为复杂，且效率较低。
技术实现要素：
4.有鉴于此，本发明公开了一种光束角动量滤波器，其可根据光束的不同tam成分进行模式分束，并 进一步实现tam滤波。
5.本发明的光束tam分束方法，基于坐标变换及波前复制原理，设计并加工坐标变换衍射光学器件和 相位补偿衍射光学器件实现待测光束的tam模式分束。
6.本发明的光束tam滤波器原理在于，在tam分束的基础上利用反射式可编程电控反射器件去除tam 分束后光场中希望滤除的tam模式，保留希望保留的tam模式，而后反射将分束和选模后的光场沿着分 束光路反向传输并依次通过相位补偿衍射光学器件和坐标变换衍射光学器件，根据光路的可逆性，获得 tam滤波后的光束。
7.本发明的光束tam滤波器，由分束元件组、选模器和接收器组成，其中，
8.分束元件组具备坐标变换衍射光学器件、第一透镜、相位补偿衍射光学器件和第二透镜，其中，
9.所述坐标变换衍射光学器件，用于将以极坐标表示的光场映射为以对数坐标表示
的光场，并以0阶衍 射级处光场为模板在
±
1衍射级处各复制一份；
10.所述第一透镜，置于坐标变换衍射光学器件后方的激光光路中，用于光场傅里叶变换；
11.所述相位补偿衍射光学器件，置于第一透镜后方的激光光路中，用于补偿由坐标变换和波前复制引入 的相位扭曲，以使从相位补偿衍射器件出射的光为平行光。
12.所述第二透镜，用于光场傅里叶变换。
13.选模器为反射式可编程电控反射器件，可选用数字微透镜阵列等，置于第二透镜后方的激光光路中， 进行tam选模并将光束反射。
14.接收器用于接收tam滤波后的光场，具备消偏振分光棱镜和面阵探测器，其中，
15.所述消偏振分光棱镜，置于坐标变换衍射光学器件前方的激光光路中，用于分离tam滤波后的光束；
16.所述面阵探测器，置于消偏振分光棱镜反射一路后方的激光光路中，用作观察装置，观察并记录tam 滤波后的光场分布。
17.本发明具有以下有益效果：
18.1、本发明的光束tam滤波器可按照应用需求对任意无效tam成分进行有效滤除，模式串扰低，tam 滤波精度高，在光通信、激光雷达等领域有着广泛的应用前景；
19.2、本发明系统简单，结构紧凑，稳定性高，可作为关键单元广泛应用于光信号处理等系统中。
附图说明
20.图1为本发明的基于坐标变换的分束系统结构图，其中，101-坐标变换衍射光学器件，102-第一透镜， 103-相位补偿衍射光学器件，104-第二透镜，105-面阵探测器；
21.图2(a)为坐标变换衍射器件的相位分布；
22.图2(b)为相位补偿衍射的相位分布；
23.图3为滤波系统的结构图，其中，301-消偏振分光棱镜，302-坐标变换衍射光学器件，303-第一透镜， 304-相位补偿衍射光学器件，305-第二透镜，306-可编程反射器件，307-面阵探测器；
24.图4为oam模式范围为-10到10阶、oam模式间隔为1的水平线偏振光束入射本发明的系统时， 入射光束和经本发明的系统tam分束后的光场分布，其中，(a)为入射光束光场分布，(b)为tam分束 后的光场分布；
25.图5为当入射光束携带(|σ＝+1》+|σ＝-1》)(|-9》+|-6》+|-3》+|0》+|+3》+|+6》+|+9》)共14个tam模式时， 采用本发明的系统滤除(|σ＝-1》)(|-6》+|0》+|6》)和(|σ＝+1》)(|-3》+|+3》)五个tam模式的滤波效果，其中(a)为入 射光束光场分布，(b)为分束后的光场分布，(c)为滤波振幅光栅，其中被滤除的模式同时从左右旋圆偏振态 中选取，白色为全反射部分，黑色部分为全吸收部分，(d)为滤波后的光场分布，(e)为滤波后反向传输得到 的光场，(f)为滤波前后光束的tam谱。
具体实施方式
26.下面结合附图并实施例，对本发明做一详细的描述。
27.首先介绍本发明的光束tam分束原理，包括光束oam分束原理和光束sam分束原理两部分。对于 光束的oam分束，本发明采用设计坐标变换纯相位光栅、相位补偿纯相位光栅并搭配两个薄凸透镜的方 式实现光场的极坐标-对数坐标变换，并引入了波前复制来减小模式之间的重叠，如图1所示，坐标变换纯 相位光栅置于透镜l1的前焦面处，相位补偿纯相位光栅置于透镜l1的后焦面处及透镜l2的前焦面处。 本发明的坐标变换衍射光学器件和相位补偿衍射光学器件相位的分布函数为φ1和φ2：
[0028][0029][0030]
其中(x,y)和(u,v)分别是坐标变换衍射器件位置处和相位补偿衍射器件处的迪卡尔坐标；d为在相位补 偿纯相位光栅位置处的光场纵向宽度；λ为入射光波长；b为由同心圆映射到线段的拉伸因子；k为波数； n为复制过程涉及到的最大衍射级，2n+1表示的波前复制的份数，如选择在
±
1衍射级复制，则n为1， 此时完成了3份波前复制；cq和aq为调整波前复制光束效果的参数；θ是相邻衍射级间的夹角；用 来补偿波前复制过程中引入的相位阶跃以保证波前平缓；f1和f2分别为透镜l1和l2的焦距；δu为坐标变 换纯相位光栅的光束偏折参量，δm为相位补偿纯相位光栅的光束偏折参量，并且δu，δm都是正值；rect 函数为：
[0031][0032]
坐标变换纯相位光栅的相位分布函数φ1包含三部分，第一部分为极 坐标-对数坐标变换，对入射光束做坐标变换以在透镜l1的后焦面处得到矩形光场，再在透镜l2的作用 下依据光束所携带的oam按照一定的规律在透镜l2焦平面处排列；第二部分 为波前复制项，用于减小相邻oam模式间的重叠；第三部分为横 向梯度相位，以结合后续几何相位调制分离入射光束的sam。相位补偿纯相位光栅的相位分布函数φ2包 括两部分，第一部分用于补偿极坐标-对数坐 标变换及波前复制中引入的像差；第二部分为横向梯度相位，与φ1相对应。如图3(a)和(b)给出了采 用上述公式仿真计算得到的坐标变换纯相位光栅和相位补偿纯相位光栅。
[0033]
对于sam分束，拟采用设计液晶聚合物光栅实现对入射光束的几何相位调控的方法来实现。本发明 所设计的液晶聚合光栅由许多液晶室组成，每个液晶室具有主轴方向为
α的液晶分子，控制液晶室的厚度 使其具有半波片功能，则据此可得液晶聚合物光栅的琼斯矩阵为：
[0034][0035]
其中α为空间坐标(x,y)的函数。由于任意入射光场均可以分解为左旋圆偏振和右旋圆偏振成分的叠加形 式：
[0036]
|ψ
in
＞＝ψ
l
|l＞+ψr|r＞
[0037]
其中，ψ
l
和ψr表示的是左旋和右旋成分的复系数，|l＞和|r＞为正交圆偏振基底,可以表示为 则其通过液晶聚合物光栅时，出射光场可表示为：
[0038][0039]
可以看出，经该液晶聚合物光栅后，入射光束的左右旋圆偏振分量被引入了相反的相位调制 exp[i(-2α)]和exp[i(2α)]，并且原左旋圆偏振分量转换为右旋圆偏振分量，原右旋圆偏振分量转换为左旋 圆偏振分量。由于圆偏振态是光子sam的宏观表征，因此基于该方法可为光束包含的两个sam分量引入 相反的相位延迟，基于该特征通过合理的设计α(x,y)可实现光束sam分束。
[0040]
本发明基于上述原理，采用液晶聚合物设计并加工了坐标变换衍射光学器件和相位补偿衍射光学器 件，实现对光束oam和sam的同时分束。这两个衍射光学器件均由液晶聚合物制作，具有许多液晶室， 每一个液晶室均可等效为子半波片，其中，对于坐标变换衍射光学器件，其液晶分子的主轴排布方向满足：
[0041][0042]
对于相位补偿衍射光学器件，其液晶分子的主轴排布方向满足：
[0043][0044]
对于左旋圆偏振分量，当通过坐标变换衍射光学器件时，加载的相位为exp[i(-2α1)]，包含的横向梯度 相位项为正，这将使得左旋圆偏振成分受坐标变换衍射光学元件调制后出现在第一透镜焦平面的右半 区域，即{x＞0}的区域，同时偏振态转变为右旋圆偏振态，再通过相位补偿衍射器件时，由于此前偏振态 的改变，此时引入的调制相位为exp[i(2α2)]，包含的横向梯度相位项为正，这将使得经坐标变换后 的右旋圆偏振成分(入射时为左旋圆偏振成分)受相位补偿衍射器件光学元件调制后出现在第二透镜焦平面 的右半区域，即{x＞0}的区域，同时偏振态又转变回左旋圆偏振态。而对于右旋圆偏振分量，当通过坐标 变换衍射光学器件时，加载的相位为exp[i(2α1)]，包含的横向梯度相位项为负，这将使得右旋圆偏 振成分受坐标变换衍射光学元件调制后出现在第一透镜焦平面的左半区域，即{x＜0}的区域，同时偏振态 转变为左旋圆偏振态，再通过相位补偿衍射器件时，由于此前偏振态的改变，此时引入的调制相位为 exp[i(-2α2)]，包含的横向
梯度相位项为负，这将使得经坐标变换后的左旋圆偏振成分(入射时为右 旋圆偏振成分)受相位补偿衍射器件光学元件调制后出现在第二透镜焦平面的左半区域，即{x＜0}的区域， 同时偏振态又转变回右旋圆偏振态。依上述过程，本发明的系统完成了对光束tam(oam+sam)的分束。
[0045]
下面结合附图3简要介绍本发明的滤波原理。在分束的基础上，依据各模式分束后的形状选择细长的 矩形条作为滤波光阑的形状。由衍射器件的相位表达式可以推导出相邻模式之间的纵向间隔为所以 整个焦平面可以划分为间隔为的多个矩形条，且每个矩形条区域由某个tam模式单独占据。以左旋圆 偏光入射为例，所有衍射光都聚焦于接收平面右侧，其占据的区域可以表示为{x＞0}，而入射光中不同阶 次的oam分量占据的区域可以表示为例如，当入射模式为 |σ＝-1》|0》，其衍射场在接收平面占据的区域为对于右旋圆偏振光，则执行相反的 调制过程，其模式排布的规律与左旋圆偏振光刚好相反，所以该圆偏振态的不同阶次的oam分量在接收 平面占据的区域为滤波过程按照选取或滤除模式的阶数，即l 值，找到相应的位置，依据该模式是保留还是滤除，决定该位置是反射还是不反射。考虑选取的模式可能 会根据设计需求而改变，因此本发明选用可编程的电控反射器件(如数字微透镜阵列等)作为模式选择器， 以按照设计需求任意地选取滤除或保留的tam模式。
[0046]
在第二透镜焦面经过滤波后的光场需要恢复为原空间光场。依据光路可逆性，将滤波后的光场按照与 分束过程完全相反的光路进行传输，并当反向传输的光场通过坐标变换衍射器件后用消偏振分光棱镜将光 场引出，恢复原空间下的光场，此时某些tam成分已被滤除。基于上述原理，本发明设计了如图4所示 的光束tam滤波器系统，由分束元件组、选模器和接收器组成。其中，分束元件组具备坐标变换衍射光 学器件、第一透镜、相位补偿衍射光学器件和第二透镜，其中，所述坐标变换衍射光学器件，用于将以极 坐标表示的光场映射为以对数坐标表示的光场，并以0阶衍射级处光场为模板在
±
1衍射级处各复制一份； 所述第一透镜，置于坐标变换衍射光学器件后方的激光光路中，用于光场傅里叶变换；所述相位补偿衍射 光学器件，置于第一透镜后方的激光光路中，用于补偿由坐标变换和波前复制引入的相位扭曲，以使从相 位补偿衍射器件出射的光为平行光；所述第二透镜，用于光场傅里叶变换。选模器为反射式可编程电控反 射器件，可选用数字微透镜阵列等，置于第二透镜后方的激光光路中，进行tam选模并将光束反射。接 收器用于接收tam滤波后的光场，具备消偏振分光棱镜和面阵探测器，其中，所述消偏振分光棱镜，置 于坐标变换衍射光学器件前方的激光光路中，用于分离tam滤波后的光束；所述面阵探测器，置于消偏 振分光棱镜反射一路后方的激光光路中，用作观察装置，观察并记录tam滤波后的光场分布。
[0047]
实施例1：oam模式范围为-10到10阶、oam模式间隔为1的水平线偏振光束入射时的tam分束
[0048]
本实施例中，因水平偏振光可以分解为左、右旋圆偏振光的等强度、等相位叠加，
所以入射光束包含 了左旋圆偏振(sam：|σ＝-1》)-10到10阶的21个oam模式与右旋圆偏振(sam：|σ＝+1》)-10到10 阶的21个oam模式，共42个tam模式。入射光束和tam分束后的光场分布分别如图4(a)、(b)所示， 可以发现入射光场最终在第二透镜的焦平面处完成了分束，该平面处呈现的42个条状光斑刚好对应于入 射光束包含的42个tam模式。除此之外还可以观察到左右旋圆偏振分量(两个sam分量)被分离于焦 平面左右两侧，同一偏振态下的不同oam的模式按照其阶数的大小依次排列在上下的不同位置且相邻模 式之间的间隔相等；另外，相反旋向的圆偏振光的oam模式排布规律刚好相反，左旋圆偏光的oam模 式排布从上到下分别是10到-10阶，而右旋圆偏光的oam模式排布从上到下分别是-10到10阶。
[0049]
实施例2：入射光束包含(|σ＝+1》+|σ＝-1》)(|-9》+|-6》+|-3》+|0》+|+3》+|+6》+|+9》)共14个tam模式时，采用本发明的tam滤波器滤除(|σ＝-1》)(|-6》+|0》+|6》)和|σ＝+1》(|-3》+|+3》)五个tam模式
[0050]
本实施例中，入射光束包含(|σ＝+1》+|σ＝-1》)(|-9》+|-6》+|-3》+|0》+|+3》+|+6》+|+9》)共14个tam模式， 滤除(|σ＝-1》)(|-6》+|0》+|6》)和(|σ＝+1》)(|-3》+|+3》)五个tam模式，出射光中包括 [(|σ＝-1》)(|-9》+|-3》+|+3》+|+9》)+(|σ＝+1》)(|-9》+|-6》+|0》+|+6》+|+9》)]共九个tam模式，分束和滤波效果如图 5所示。其中(a)为入射光束的强度分布，(b)为分束后的光场分布，(c)为滤波振幅光栅，其中被滤除的模式 同时从左右旋圆偏振态中选取，白色为全反射部分，黑色部分为吸收部分，(d)为滤波后的光场分布，(e) 为滤波后反向传输得到的光场分布，(f)为tam滤波前后的tam谱。由图5(f)可得，滤波后的输出光场中 被滤除的tam模式强度大幅减少，而其他tam模式几乎没有受到影响，证明本发明的系统能够实现tam 滤波。
[0051]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。