本發(fā)明涉及太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波的發(fā)生裝置及產(chǎn)生方法。

背景技術(shù)：

光束除了攜帶能量和動(dòng)量外還攜帶角動(dòng)量，光束的角動(dòng)量可以分成兩個(gè)部分，一個(gè)是與光束的偏振相關(guān)的自旋角動(dòng)量，另一個(gè)是與光場(chǎng)復(fù)振幅的角向分布相關(guān)的軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum，OAM)。光束的自旋角動(dòng)量較早就為人們所認(rèn)識(shí)，1936年Beth首次用實(shí)驗(yàn)測(cè)量了光束的自旋角動(dòng)量和著名的物理常數(shù)的值。光束的軌道角動(dòng)量直到1992年Allen的研究后才全面為人們所認(rèn)識(shí)。Allen發(fā)現(xiàn)具有螺旋形波前結(jié)構(gòu)的光束每個(gè)光子攜帶軌道角動(dòng)量為了從此光束的軌道角動(dòng)量在波束整形、焦場(chǎng)控制、光學(xué)微操縱、量子、通信等中多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

在太赫茲頻段的波束上加載軌道角動(dòng)量的手段匱乏，尤其是在軌道角動(dòng)量信道復(fù)用應(yīng)用中，由于波束需要同時(shí)具有時(shí)間調(diào)制信號(hào)和螺旋相位波前。傳統(tǒng)的在太赫茲頻段的波束上加載軌道角動(dòng)量，是利用螺旋相位版或叉狀衍射光柵進(jìn)行加載，然而，波束的光強(qiáng)將在這個(gè)過(guò)程中被大量損耗，使太赫茲通信鏈路預(yù)算變得更加困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗小、效率高的攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波的發(fā)生裝置及產(chǎn)生方法。

一種攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波的發(fā)生裝置，包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器輻射第一激光束，第二激光器輻射第二激光束，所述第一激光束與所述第二激光束的頻差處于太赫茲波段；所述發(fā)生裝置還包括軌道角動(dòng)量發(fā)生器、合束鏡和太赫茲輻射發(fā)射器；

所述第一激光束經(jīng)所述軌道角動(dòng)量發(fā)生器，得到攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束；所述攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束與第二激光束經(jīng)所述合束鏡合束后入射至所述太赫茲輻射發(fā)射器；

所述太赫茲輻射發(fā)射器對(duì)所述攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束與第二激光束進(jìn)行差頻處理，得到攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波。。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，還包括第一透鏡；所述攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束與第二激光束經(jīng)所述第一透鏡聚焦在所述太赫茲輻射發(fā)生器上。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述太赫茲輻射發(fā)射器包括依次層疊的襯底層、光電導(dǎo)層以及設(shè)置在所述光電導(dǎo)層上的金屬電極。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述太赫茲輻射發(fā)射器包括第二透鏡，所述第二透鏡用于對(duì)發(fā)散的攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波準(zhǔn)直，使所述攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波平行出射。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述軌道角動(dòng)量發(fā)生器為螺旋相位階梯板；所述第一激光束沿著與所述螺旋相位階梯板表面法線垂直的方向入射，出射光束具有沿所述第一激光束傳輸方向的角動(dòng)量。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述軌道角動(dòng)量發(fā)生器為叉形光柵；所述第一激光束沿著與所述叉形光柵表面法線垂直的方向入射，所述叉形光柵產(chǎn)生的一級(jí)衍射光束具有螺旋相位。

此外，還提供一種攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波的產(chǎn)生方法，包括：

獲得頻差處于太赫茲波段的第一激光束和第二激光束；

在所述第一激光束的傳播光路中加載軌道角動(dòng)量信息，形成攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束；

將所述攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束和第二激光束合束，并入射至太赫茲輻射發(fā)生器，形成攜帶載軌道角動(dòng)量的太赫茲波。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，將所述攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束和第二激光束聚焦在太赫茲輻射發(fā)生器上，形成攜帶載軌道角動(dòng)量的太赫茲波的具體步驟包括：

將所述攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束和第二激光束的光場(chǎng)進(jìn)行疊加；

計(jì)算疊加后的所述攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束和第二激光束的合成光矢量；

計(jì)算疊加后的所述攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束和第二激光束的光場(chǎng)強(qiáng)度，其中，所述光場(chǎng)強(qiáng)度與所述合成光矢量的平方正相關(guān)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束與第二激光束的光場(chǎng)初始振幅相等。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算所述光場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，對(duì)所述合成光矢量進(jìn)行差頻處理。

上述攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波的發(fā)生裝置，包括第一激光器和第二激光器，第一激光器輻射第一激光束，第二激光器輻射第二激光束，且第一激光束與第二激光束的頻差處于太赫茲波段。發(fā)生裝置還包括軌道角動(dòng)量發(fā)生器、合束鏡和太赫茲輻射發(fā)射器；第一激光束經(jīng)軌道角動(dòng)量發(fā)生器，得到攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束；攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束與第二激光束合束后，入射至在太赫茲輻射發(fā)射器上；太赫茲輻射發(fā)射器對(duì)攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束與第二激光束進(jìn)行混頻濾波處理，得到攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波。通過(guò)簡(jiǎn)單的光路設(shè)計(jì)，就可以得到損耗小、效率高的攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波束。

附圖說(shuō)明

圖1為攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波的發(fā)生裝置的光路圖；

圖2為攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波產(chǎn)生方法的流程圖。

圖中標(biāo)號(hào)：第一激光器1、第二激光器2、第一光闌3、第二光闌4、軌道角動(dòng)量發(fā)生器5、聲光調(diào)制器6、反射銀鏡7、合束鏡8、第一透鏡9、太赫茲輻射發(fā)射器10、第一透鏡11。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說(shuō)明書中所使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體的實(shí)施例的目的，不是旨在限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

如圖1所示的為攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波的發(fā)生裝置的光路圖，該發(fā)生裝置包括第一激光器1和第二激光器2；第一激光器1輻射第一激光束A，第二激光器2輻射第二激光束B(niǎo)，且第一激光束A與第二激光束B(niǎo)的頻差處于太赫茲波段。發(fā)生裝置還包括軌道角動(dòng)量發(fā)生器5、合束鏡8和太赫茲輻射發(fā)射器10。第一激光束經(jīng)軌道角動(dòng)量發(fā)生器5，得到攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束A。攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束A與第二激光束B(niǎo)經(jīng)合束鏡8合束后，入射至太赫茲輻射發(fā)射器10上，太赫茲輻射發(fā)射器10對(duì)攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束A與第二激光束B(niǎo)進(jìn)行差頻處理，得到攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波。

在另一實(shí)施例中，在第二激光束B(niǎo)的傳播光路中也可以加載軌道角動(dòng)量發(fā)生器，攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束A與攜帶軌道角動(dòng)量第二激光束B(niǎo)經(jīng)合束鏡合束后，入射至太赫茲輻射發(fā)射器上，太赫茲輻射發(fā)射器對(duì)攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束與第二激光束進(jìn)行差頻處理，得到攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波。

在本實(shí)施例中，第一激光器1、第二激光器2為均為半導(dǎo)體激光器，在其他實(shí)施例中，還可以為其他單縱模、窄線寬連續(xù)激光器，例如光纖激光器等，第一激光器1、第二激光器2的類型可根據(jù)實(shí)際需求來(lái)定。其中，第一激光束A與第二激光束B(niǎo)為頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的兩束相干激光光束。在光路中，還設(shè)有用于準(zhǔn)直激光光束的第一光闌3、第二光闌4和用于對(duì)相應(yīng)光路進(jìn)行轉(zhuǎn)折的反射銀鏡7，使第一激光束A和第二激光束B(niǎo)的傳播方向平行，還包括用于對(duì)第二激光束加在時(shí)間調(diào)制信號(hào)的聲光調(diào)制器6。

在本實(shí)施例中，軌道角動(dòng)量發(fā)生器5為螺旋相位階梯板。由于Allen發(fā)現(xiàn)具有螺旋形波前結(jié)構(gòu)的光束每個(gè)光子攜帶軌道角動(dòng)量為了即只要出射的光波具有螺旋相位，即攜帶了軌道角動(dòng)量。第一激光束A沿著與螺旋相位階梯板表面法線垂直的方向入射，在螺旋相位階梯板的另一側(cè)，第一激光束A沿著螺旋相位階梯板另一側(cè)的法線出射。因此，出射光束將會(huì)獲得一個(gè)沿著出射表面的方位角的線性動(dòng)量分量，即，出射光束具有沿著第一激光束A傳輸方向的角動(dòng)量。螺旋相位階梯板需要非常高的螺旋面傾斜度的精度，將更大物理階數(shù)的螺旋相位階梯板浸入系數(shù)匹配的液體浴中，通過(guò)控制液浴的溫度來(lái)精確調(diào)整階梯板的厚度以達(dá)到想要的結(jié)果。

在另一本實(shí)施例中，軌道角動(dòng)量發(fā)生器5為叉形光柵。第一激光束A沿著與叉形光柵表面法線垂直的方向入射，叉形光柵產(chǎn)生的一級(jí)衍射光束具有螺旋相位。在其他實(shí)施例中，軌道角動(dòng)量發(fā)生器5還可以為螺旋菲涅爾透鏡或其他可以產(chǎn)生可以將厄米特-高斯光束轉(zhuǎn)變?yōu)槔w爾-高斯光束的模式轉(zhuǎn)換器。

發(fā)生裝置還包括第一透鏡9；攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束A與第二激光束B(niǎo)經(jīng)第一透鏡9聚焦在太赫茲輻射發(fā)生器上。第一透鏡9

在本實(shí)施例中，太赫茲輻射發(fā)射器10包括依次層疊的襯底層、光電導(dǎo)層以及設(shè)置在光電導(dǎo)層上的金屬電極。其中，襯底層具有盡可能短的載流子壽命、高的載流子遷移率以及介質(zhì)耐擊穿強(qiáng)度，在本實(shí)施例中，襯底層為低溫生長(zhǎng)的砷化鎵(LT-GaAs)，并具有較高的載流子遷移率和很強(qiáng)的耐擊穿強(qiáng)度。在其他實(shí)施例中，襯底層還可以為砷化銦(InAs)或摻雜硅(Si)。在本實(shí)施例中，金屬電極為叉趾狀其輻射面積足夠大，可以覆蓋螺旋相位的激光光束。在其他實(shí)施例中，金屬電極可以為錐形天線、傳輸線以及大孔徑光導(dǎo)天線等。攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束A與第二激光束B(niǎo)經(jīng)第一透鏡9聚焦在太赫茲輻射發(fā)生器上。當(dāng)有激光脈沖入射到兩電極之間的襯底上時(shí)，并且當(dāng)入射光光子的能量大于基片材料的能隙寬度時(shí)，就會(huì)在兩電極材料之間的被照射的基片上產(chǎn)生光生載流子。

根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，在混頻濾波處理過(guò)程中，光生載流子在太赫茲輻射發(fā)射器10中的襯底層中傳輸，可將襯底層視為各向同性介質(zhì)，不會(huì)對(duì)角動(dòng)量產(chǎn)生影響，即可輻射出攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波。

太赫茲輻射發(fā)射器10包括第二透鏡11，第二透鏡11用于對(duì)發(fā)散的攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波進(jìn)行準(zhǔn)直，使攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波平行出射。

通過(guò)上述簡(jiǎn)單的光路設(shè)計(jì)，就可以得到損耗小、效率高的攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波束。

一種攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波的產(chǎn)生方法，包括：

步驟S110：獲得頻差處于太赫茲波段的第一激光束和第二激光束。

第一激光器1輻射第一激光束A，第二激光器2輻射第二激光束B(niǎo)，其中，第一激光束A與第二激光束B(niǎo)的頻差處于太赫茲波段。第一激光器1、第二激光器2為均為半導(dǎo)體激光器，其均輻射單縱模窄線寬連續(xù)激光光波。在光路中，還設(shè)有用于準(zhǔn)直激光光束的第一光闌3、第二光闌4和用于對(duì)相應(yīng)光路進(jìn)行轉(zhuǎn)折的反射銀鏡7，使第一激光束A和第二激光束B(niǎo)的傳播方向平行，還包括用于對(duì)第二激光束加在時(shí)間調(diào)制信號(hào)的聲光調(diào)制器6。

步驟S120：在第一激光束的傳播光路中加載軌道角動(dòng)量信息，形成攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束。

在本實(shí)施例中，在第一激光束A的傳播光路中設(shè)有螺旋相位階梯板。第一激光束A沿著與螺旋相位階梯板表面法線垂直的方向入射，在螺旋相位階梯板的另一側(cè)，第一激光束A沿著螺旋相位階梯板另一側(cè)的法線出射。因此，出射光束將會(huì)獲得一個(gè)沿著出射表面的方位角的線性動(dòng)量分量，即，出射光束攜帶載軌道角動(dòng)量。在其他實(shí)施例中，還可以為在第一激光束A的傳播光路中設(shè)置叉形光柵、螺旋菲涅爾透鏡或其他可以產(chǎn)生可以將厄米特-高斯光束轉(zhuǎn)變?yōu)槔w爾-高斯光束的模式轉(zhuǎn)換器，從而形成攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束A。

在本實(shí)施例中，攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束A的光場(chǎng)記為E₁(t)，其中，E₊、ω₊、為分別為攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束A的初始振幅、頻率、螺旋相位，其中，第二激光束B(niǎo)的光場(chǎng)記為E₂(t)，E_-、ω_-、分別為第二激光束B(niǎo)光束的初始振幅、頻率、初始相位。

在其他實(shí)施例中，還可以同時(shí)在第二激光束的傳播光路中加載軌道角動(dòng)量信息，形成攜帶載軌道角動(dòng)量的第二激光束。

步驟S130：將攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束和第二激光束合束后，入射至太赫茲輻射發(fā)生器，形成攜帶載軌道角動(dòng)量的太赫茲波。

根據(jù)角動(dòng)量守恒，在混頻的物理過(guò)程中，光生載流子在太赫茲輻射發(fā)生器中的傳輸，可將太赫茲輻射發(fā)生器中的襯底視為各向同性介質(zhì)，其不會(huì)對(duì)角動(dòng)量產(chǎn)生影響：

L_Opt1+L_Opt2-L_THz＝0

式中，L_Opt1為攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束A的角動(dòng)量，L_Opt2為第二激光束B(niǎo)的角動(dòng)量，L_THz為攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波的角動(dòng)量。

將攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束A和第二激光束B(niǎo)聚焦在太赫茲輻射發(fā)生器上，將攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束A和第二激光束B(niǎo)的光場(chǎng)進(jìn)行疊加。

計(jì)算疊加后的攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束A和第二激光束B(niǎo)的合成光矢量，記為E(t)，合成光矢量可以表達(dá)為：

計(jì)算疊加后的所述攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束A和第二激光束B(niǎo)的光場(chǎng)強(qiáng)度，其中，光場(chǎng)強(qiáng)度與所述合成光矢量的平方正相關(guān)。

將疊加后的攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束A和第二激光束B(niǎo)引入至太赫茲輻射發(fā)生器，其中，該太赫茲輻射發(fā)生器輻射出的光場(chǎng)強(qiáng)度I與合成光矢量的平方|E(t)|²正相關(guān)：

I∝|E(t)|²

在太赫茲輻射發(fā)生器中，攜帶載軌道角動(dòng)量的第一激光束A與第二激光束B(niǎo)的光場(chǎng)初始振幅相等，即E₊＝E_-＝E₀。

太赫茲輻射發(fā)生器輻射出的光場(chǎng)強(qiáng)度：

計(jì)算光場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，對(duì)合成光矢量做差頻處理。由于半導(dǎo)體光電器件的電子響應(yīng)速率限制，光生載流子的響應(yīng)速度跟不上和頻項(xiàng)的振蕩速度，即只受直流項(xiàng)、差頻項(xiàng)的調(diào)制，因此對(duì)半導(dǎo)體光生載流子的有效調(diào)制光強(qiáng)：

其中，ω₊和ω_-的差值為太赫茲波頻率，即ω_THz＝ω₊-ω_-。

同時(shí)，令

不失一般性，可設(shè)則：

在其他實(shí)施例中，若第二激光束也加載了軌道角動(dòng)量，則可設(shè)

通過(guò)上述裝置和方法，攜帶軌道角動(dòng)量的第一激光束A和第二激光束B(niǎo)疊加后經(jīng)過(guò)太赫茲輻射發(fā)生器可使螺旋相位(攜帶軌道角動(dòng)量信息)得到保留，即光學(xué)軌道角動(dòng)量可以等值傳遞至太赫茲波束。通過(guò)上述發(fā)生裝置和產(chǎn)生方法，通過(guò)簡(jiǎn)單的光路設(shè)計(jì)，就可以得到損耗小、效率高的攜帶軌道角動(dòng)量的太赫茲波束。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說(shuō)明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。