讲座4-1-轨道角动量的概念和OAM光束生成方法

1_____________________________《通信原理》国防科技大学电子科学与工程学院马东堂1第一节OAM的概念和光束生成方法讲座四基于OAM的光通信技术OAM的概念和光束生成方法„轨道角动量的概念¾能量、动量和角动量都是最先基于粒子描述，从力学推广起来的概念；其守恒定律分别对应着物理规律在时间、空间平移和空间旋转下的对称性，都是最一般的守恒量；可自然地推广到电磁场2_____________________________《通信原理》国防科技大学电子科学与工程学院马东堂¾Kepler在观测中发现彗尾总是背对太阳，提出了光压的概念；Plynting在麦克斯韦方程的基础上，发现电磁场也具有动量，就是矢量E×H；如果沿用力学中的定义，则r×E×H就是电磁场的角动量；Plynting受旋转运动粒子的启发，求解得出圆偏振的电磁波在传播方向具有非零的角动量(λu)/(2π)，决定于电磁波的波长和能流密度OAM的概念和光束生成方法OAM的概念和光束生成方法¾1936年，R.Beth通过实验证实线偏振光子通过双折射薄片转换为圆偏振光时，该薄片会获得一个相反的扭矩，证实了圆偏振光具有角动量¾Humblet对一般的电磁场将角动量分解成两项：9第一项与空间坐标系无关，对应量子论下的自旋角动量9第二项与空间坐标有关，对应于量子论下的轨道角动量3_____________________________《通信原理》国防科技大学电子科学与工程学院马东堂„量子论下的角动量OAM的概念和光束生成方法自旋¾在量子力学中，不管是有静止质量粒子（电子等），还是无静止质量粒子（光子等），都具有波粒二相性，因而具有完全的可类比性¾德布罗意波长¾爱因斯坦质能关系2422Emcpc=+/dhpλ=„光子的轨道角动量OAM的概念和光束生成方法¾对于中心无能量的空心环形光束，必然存在横向能流和动量，则r×(E×H)≠0¾为了满足角向连续性条件，光场（波）函数必然包含因子jleϕ−¾Laguerre-Gaussian光束正好满足此条件，且正是旁轴近似方程的完备正交解集¾光子角动量在近轴下可分离，在强聚焦等场合就必须按总角动量处理4_____________________________《通信原理》国防科技大学电子科学与工程学院马东堂¾“量子数”l的直观意义OAM的概念和光束生成方法„OAM光束的生成OAM的概念和光束生成方法¾激光器直接产生法微芯片固体激光器9一般情况下，严格的轴对称条件很容易被破坏，因而激光器中获得的多是HG模，但通过激光器增益分布、光腔控制也可直接获得LG光束5_____________________________《通信原理》国防科技大学电子科学与工程学院马东堂OAM的概念和光束生成方法¾HG模转换法（1992,Allen）前提是先得生成标准的HG模OAM的概念和光束生成方法¾螺旋相位板相位板制作要求高6_____________________________《通信原理》国防科技大学电子科学与工程学院马东堂¾全息叉形光栅OAM的概念和光束生成方法OAM的概念和光束生成方法7_____________________________《通信原理》国防科技大学电子科学与工程学院马东堂9液晶空间光调制器OAM的概念和光束生成方法液晶空间光调制器（SLM）本质是可编程的数字化全息光栅，具有相位板所不具备的灵活性，响应快速等特点。