[论文解读] Generation and reverse transformation of twisted light by spatial light modulator

Zhi‐Yuan Zhou, Zhi‐Han Zhu+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2016

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 14被引用 6

一句话总结

本文基于衍射理论，对仅相位型空间光调制器（SLM）生成和反向转换扭曲光的理论与实验研究进行了探讨。推导出解析表达式，阐明了高斯光束在传播过程中如何演化为环形扭曲光束，以及当SLM重新配置时，如何实现反向转换——即恢复为准高斯形状，为光学通信中的轨道角动量（OAM）模式复用提供了关键洞见。

ABSTRACT

A spatial light modulator (SLM) is one of the most useful and convenient device to generate structural light beams such as twisted light and complexed images used in modern optical science. The unbounded dimension of twisted light makes it promising in harnessing information carrying ability of a single photon, which greatly enhances the channel capacity in optical communications. We perform a detail theoretical study of the birth, evolution and reverse transformation of twisted light generated from a phase-only SLM based on diffraction theory, analytical expressions are obtained to show the special evolution behaviors of the light beam with the propagation distance. Beam intensity distributions calculated theoretically are in well agreement with experimental observations. Our findings clearly reveal how twisted light gradually emerges from a Gaussian spatial shape to a ring shape, and also the ring shape will gradually evolve to a quasi-Gaussian shape conversely, in the reverse transformation. These results will provide guidelines for using SLM in many optical experiments and OAM-mode multiplexing in optical communications.

研究动机与目标

• 理解使用仅相位型空间光调制器（SLM）生成扭曲光的物理机制。
• 分析从高斯光束到环形光束的传播过程中，扭曲光强度分布的演化过程。
• 研究反向转换过程：当SLM重新配置时，扭曲光束如何恢复为准高斯形状。
• 为涉及轨道角动量（OAM）光束的光学实验中使用SLM，提供理论与实验指导。
• 通过表征光束演化与可逆性，支持光学通信中OAM模式复用的发展。

提出的方法

• 使用标量衍射理论对光束传播进行理论建模，以描述仅相位SLM生成的光束演化。
• 推导出生成的扭曲光强度分布随传播距离变化的解析表达式。
• 基于推导出的表达式，模拟并计算光强分布，以预测从高斯分布到环形分布的演化过程。
• 通过仅相位SLM生成扭曲光并测量不同距离下的光强分布，对理论预测进行实验验证。
• 重新配置SLM以诱导反向转换，观察光束从环形分布恢复为准高斯形状的过程。
• 将理论预测与实验观测进行比较，以确认其准确性和一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅相位SLM如何将高斯光束转换为具有轨道角动量的扭曲光束？
• RQ2 在传播过程中，扭曲光强度演化受哪些解析表达式控制？
• RQ3 光束轮廓如何从高斯分布演化为环形强度分布？
• RQ4 是否可以实现扭曲光束向准高斯形状的反向转换？该过程的条件是什么？
• RQ5 理论预测与实验观测在扭曲光生成与反向转换过程中的吻合程度如何？

主要发现

• SLM生成的扭曲光理论强度分布与不同传播距离下的实验测量结果高度一致。
• 随着传播距离增加，光束从高斯分布演化为明显的环形强度分布，证实了轨道角动量的产生。
• 在反向转换过程中，当SLM重新配置时，环形光束逐渐恢复为准高斯分布，展示了可逆控制能力。
• 基于衍射理论推导出的解析表达式能准确描述光束演化，从而可精确预测光强分布。
• 结果验证了SLM在动态、可逆生成具有明确OAM态的扭曲光方面的可行性。
• 研究结果为设计光学通信中的OAM模式复 multiplexing 系统提供了可靠基础。