[發明專利]一種多軌道角動量光束產生器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010410520.5
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111596462B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 孫洪波;胡志勇;陳岐岱
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純

本發明公開了一種多軌道角動量光束產生器及其制備方法，屬于功能型微光學元件及制備領域，包括多軌道角動量光束產生器的相位分布信息、加工數據轉換、前期準備、多軌道角動量光束產生器的制備、顯影與干燥；通過分區域劃分、相位獨立控制的方法，將整個器件按照等半徑劃分原則分成多個獨立的區域，每個區域內通過聚焦元件球面或者非球面透鏡產生聚焦相位，通過螺旋相位板產生螺旋相位。通過結合兩者，得到組合的多軌道角動量光束產生器，最終在光軸的不同位置產生多個軌道角動量模式。本發明的多軌道角動量光束產生器具有產生多個空間分布的軌道角動量模式的優勢、結構簡單、易于制備、可編程設計、適用性廣、容易與各種現有光學系統集成的優勢。

技術領域

本發明屬于功能型微光學元件及制備技術領域，具體涉及一種簡單、通用的多軌道角動量光束產生器及其制備方法。

背景技術

近年來，隨著現代社會信息技術的飛速發展，人們對信息需求量的不斷增大，傳統的信息通信及存儲容量已經達到瓶頸。與電子的有限維度不同，光子具有多個維度，在傳統的光信息編碼過程中，主要是在時間、波長、相位和偏振等四個維度上對信息進行編碼調制。而光子的軌道角動量理論上可以取得無窮多個本征值，可以極大的擴展光通信以及信息存儲的容量，因此將光子軌道角動量作為一個新的信息編碼的自由度，是未來發展的必然趨勢。光子軌道角動量在光通信、信息儲存等領域具有巨大的應用潛力。

通常，我們把攜帶光子軌道角動量的渦旋光束稱為軌道角動量光束。在各種軌道角動量光束的應用中，像在光通信，光傳感，光測量以及光操控，有時會需要多個軌道角動量模式。而一些產生軌道角動量光束的常規器件，比如模式轉換器，螺旋相位板，螺旋波帶片，計算全息圖等，一個元件通常只能產生一個軌道角動量模式。所需軌道角動量模式越多，需要使用的光學元件就越多，從而造成系統復雜、體積龐大和成本高的問題。為了滿足多軌道角動量應用場景的需要，研究者們提出了一些解決方案。例如：13年，Yan等人通過切片狀的相位分布設計，利用空間光調制器同時產生了7種不同的軌道角動量模式。15年，Lei等人利用達曼光柵在垂直于光軸的平面上產生了多個軌道角動量陣列。這些工作在一定程度上推動了多軌道角動量光束的進一步發展，但是目前的解決方案主要是產生共線重疊或者垂直于光軸平面分布的多個軌道角動量模式。而實現三維空間分布的多軌道角動量光束對于大容量光通信、光存儲以及多維光操控具有重要意義。到目前為止，如何使用單個器件簡單高效地產生多個三維空間分布的軌道角動量模式還是很有挑戰性的。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明要解決的技術問題是：提供一種簡單、通用的多軌道角動量光束產生器及其制備方法，通過分區域劃分、相位獨立控制的方法，將整個器件按照等半徑劃分原則分成多個獨立的區域，每個區域內通過聚焦元件球面或者非球面透鏡產生聚焦相位，通過螺旋相位板產生螺旋相位。通過結合兩者，得到組合的多軌道角動量光束產生器，利用“飛秒激光增材制造”技術制備器件，最終在光軸的不同位置產生多個軌道角動量模式。

本發明通過如下技術方案實現：

一種多軌道角動量光束產生器，所述多軌道角動量光束產生器為一個圓形、表面為螺旋狀變化的光學器件，整個器件由N個環形區域組成；N為大于1的整數；

其中，第1個環形區域的相位分布信息是通過疊加多焦點聚焦透鏡第1個環形區域和多區域螺旋相位板第1個環形區域得到，位于器件的中心，用于產生第1種軌道角動量光束；

第2個環形區域的相位分布信息是通過疊加多焦點聚焦透鏡第2個環形區域和多區域螺旋相位板第2個環形區域得到，位于器件由中心到邊緣的第2個區域，用于產生第2種軌道角動量光束；

第N-1個環形區域的相位分布信息是通過疊加多焦點聚焦透鏡第N-1個環形區域和多區域螺旋相位板第N-1個環形區域得到，位于器件由中心到邊緣的第N-1個區域，用于產生第N-1種軌道角動量光束；