作者：柯熙政

自然中有很多涡旋现象

比如

小范围空气涡旋

海洋涡旋

今天，我们也来介绍一下

科学中的涡旋光

无线光通信是一种以激光为载体进行数据、语音及图像等信息传递的技术。互联网产业的迅速发展对通信行业提出了更高的要求，高速率是未来通信行业发展的必然趋势。随着海量数据传输、云计算、人工智能等新兴领域的出现，传统的通信方式所提供的信道容量具有了很大的局限性。为了提高通信系统的信道容量，携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)的涡旋光束以一种新的复用方式出现，与时分复用、码分复用、频分复用等复用方式类似，为解决复用通信中速率和信道容量问题提供一种手段。

轨道角动量复用通信系统模型

常见产生涡旋光束的方法

为了实现轨道角动量复用通信，面临的首要问题是产生携带轨道角动量的涡旋光束。最常见的产生涡旋光束的方法如下图所示。

1 直接产生法

通过激光谐振腔直接产生涡旋光束。在实验中该方法对谐振腔的轴对称性具有严格的要求，较难得到稳定的光束输出。

2 模式转换法

由柱面镜构成非轴对称光学系统，输入不含轨道角动量的厄米-高斯(hermite-guassian, HG)光束，通过两个柱面透镜构成的模式转换器，就可以将其转化为拉盖尔-高斯(laguerre-gaussian, LG)光束。此方法最早是Allen等人在1993年提出的，同理将LG光束转换成HG光束也是成立的。只需要在厄米高斯光束基础上引入一个随方位角变化的相位因子

，就可以将HG光束变成具有轨道角动量的涡旋光束。

3螺旋相位板法

螺旋相位板是一种厚度与相对于板中心的旋转方位角成正比的透明板，表面结构类似于一个旋转的台。当光束通过螺旋相位板时，由于相位板的螺旋形表面使透射光束光程的改变不同，使透射光束相位的改变量也不同，继而能够产生一个具有螺旋特征的相位因子。

4计算全息法

计算全息法是依据光的干涉和衍射原理，利用计算机编程实现目标光与参考光的干涉图样，得到涡旋光束。利用计算全息法产生涡旋光束是一种快速灵活、应用范围广泛的方法。其主要可以利用计算全息图和空间光调制器来实现。计算全息图就是将叉形光栅制成底片，直接让高斯平面波通过此叉形光栅即可。将叉形光栅加载到空间光调制器(spatial light modulator, SLM)上，让高斯平面波直接入射到SLM上即可。

5光纤产生法

为了适应OAM光通信系统的发展和应用要求，学者们提出了利用光纤产生涡旋光束的方法，主要包括三种方法：(a)光纤耦合器转换法；(b)光子晶体光纤转换法；(c)光波导器件转化法。

涡旋光束产生方法的对比

涡旋光束特有的相位结构及独特的OAM特征，使其在量子信息的传输、微粒操纵、分子光学等方面都具有良好的应用价值。但这些应用都必须依赖于高质量涡旋光束的产生，以上产生方法各有优缺点。所以，在现有条件和技术的基础上，寻求产生更高质量涡旋光束的有效方法也成了该领域亟待解决的问题。

表 产生涡旋光束方法的比较

涡旋光束制备

以下涡旋光束制备，以西安理工大学无线光通信与网络研究中心团队研究成果为例介绍。

1单个涡旋光束的制备

携带OAM的涡旋光束相位结构是螺旋分布，光束中心光强为零处为相位奇点，其中，最为典型的是拉盖尔-高斯光束。西安理工大学无线光通信与网络研究中心团队主要利用两种途径产生涡旋光束：计算全息法(空间调制器法)和光纤产生法。

相比于空间调制器法产生涡旋光束，因为涡旋光束本身就是光纤的一个本征解，所以利用光纤产生涡旋光束的纯度会更高。

空间光调制器法和光纤法产生涡旋光束

2涡旋光束叠加态的制备

作者课题组对拉盖尔-高斯光束轨道角动量叠加态的研究，利用相同位错的叉形光栅叠加和螺旋相位图叠加都可以制备双OAM涡旋光束的叠加态。利用相同位错的叉形光栅叠加制备双OAM涡旋光的叠加态。利用空间光调制器加载不同轨道角动量叠加干涉图样等等。

利用叉形光栅叠加实现双OAM涡旋光束时零级衍射存在，并且涡旋光束叠加态会出现在正负一级衍射位置上，零级衍射占了大部分能量；而对于螺旋相位图叠加实现双OAM涡旋光束时，涡旋光束叠加态出现在零级衍射上，能量比较集中。

3阵列涡旋光束的制备

由He-Ne激光器（632.8 nm）发出的激光，经过透镜组成的扩束系统，准直入射到反射式空间调制器（RL-SLM-R2），通过改变加载在SLM上的能产生不同涡旋光束阵列的叠加光栅，得到拓扑荷数相同整数阶、不同整数阶、相同分数阶、不同分数阶叠加的涡旋光束阵列，经过滤波片滤除杂光，由CCD采集显示在白屏上不同阶数及其叠加的光强分布。

经不同分数阶叠加光栅调制光栅得到的光束载体阵列，在传递信息时，对其信息相位的分解的效率最高，且等间隔分解，有利于接收端恢复信息，在实验相同设备和路径下，较整数阶及其他光斑阵列光强较强，有利于远距离传输。

4 高阶径向拉盖尔-高斯光束叠加

径向指数大于零的高阶径向LG光束同样可以被应用于OAM复用通信系统，继而成倍提高信道容量、通信速率和频带利用率。在接收孔径的限制下，高阶径向LG光束比零阶径向LG光束具有更高的接收功率。因此，高阶径向LG光束在轨道角动量复用领域具有潜在的应用价值。

5 多个拓扑荷数呈等差数列的涡旋光束叠加

随着对具有螺旋波前结构的涡旋光束研究逐渐深入,可提供多样化信息和相位结构的复合涡旋光束逐渐成为该领域关注的热点。作者课题组推导了呈等差数列(公差为∆)的n束涡旋光束叠加的理论公式，分析了共轴叠加时产生复合涡旋光束相位奇点的分布特征，求解了角向解的个数和位置。通过改变涡旋光束的拓扑荷数可发现其光强分布的变化规律：外侧亮斑数目等于∆，暗斑数目等于∆*(n-1)，根据亮暗斑数目和位置特征也可用于检测拓扑荷数。将复合涡旋光束用于信息传输时，可同时传输多种不同的信息，拓展了信息的容量，此研究为多种涡旋光束叠加提供有利依据，也为涡旋光束检测提供一种新的方法。

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