量子态轨道角动量涡旋电磁波多模态解复用装置和方法

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种量子态轨道角动量涡旋电磁波多模态解复用装置和应用该装置对多模态涡旋电子束进行多模态解复用的方法。

背景技术：

1、轨道角动量(orbital angular momentum，oam)是近年来发现的电磁波的一种固有性质，其与电场强度有着相独立的物理量纲，因此被认为具备成为电磁波无线传输新维度的潜力，被视为是第六代通信技术(6g)的潜在核心关键技术。

2、具备轨道角动量的电磁波又被称为涡旋电磁波，根据其性质又可以分为统计态oam涡旋电磁波以及量子态oam涡旋电磁波。目前针对统计态oam涡旋电磁波的开发相对较为成熟，与目前基于电磁波电场强度的传统无线通信技术较为兼容，被部分学者视为是mimo技术的子集，被认为是一种特殊的波束赋形技术。

3、而量子态oam涡旋电磁波更本质的反映了oam的新维度特性，具有巨大的应用潜力，有望大幅提升通信效率及容量。由于量子态oam涡旋电磁波通信的基本原理与目前基于电磁波电场强度的无线通信有着巨大差异，因此需要对其研究专门的收发以及调制解调器件。

4、其中就包括在接收端的关键器件：多模态解复用装置。目前已有提出利用量子态oam电磁波传输的架构，其中，在接收端将oam从电磁波转移到电子上形成涡旋电子束后再对其进行解调。为了充分发挥出轨道角动量多模态正交的特性，在接收端必须要有针对轨道角动量多模态涡旋电子束的解复用装置，将每个模态分量分离，分别提取出每个模态的相对信号大小。

5、但目前存在的涡旋电子束oam多模态识别分选的相关研究具备一些明显的不足，难以用于实用。例如：采用晶体衍射的方法识别电子束oam是通过图像来分辨，此方法只能分辨电子束中oam模态的有无，但难以确定信号的强弱，并且分辨速率较慢。而直接采用电子栅的分选方式最后形成的也是图像信号，并且模态之间的分选距离极小，难以将其直接工程实用。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出本发明以提供解决或者部分地解决上述问题的一种量子态轨道角动量涡旋电磁波多模态解复用装置和应用该装置对多模态涡旋电子束进行多模态解复用的方法。

2、本发明实施例提供一种量子态轨道角动量涡旋电磁波多模态解复用装置，所述量子态轨道角动量涡旋电磁波多模态解复用装置用于对轨道角动量多模态涡旋电子束进行解复用，包括：模态分选模块、分选扩距模块、电子收集模块；

3、所述模态分选模块接收包含n个轨道角动量模态的多模态涡旋电子束，对所述多模态涡旋电子束进行初步分选，将所述多模态涡旋电子束中的不同轨道角动量模态的电子分量分选到空间的不同对应位置，所述n为大于等于2的整数；

4、所述分选扩距模块对初步分选后的不同模态分量电子之间的空间距离进行扩大；

5、所述电子收集模块包括：n个收集支路，其中，每个收集支路收集一个轨道角动量模态的对应电子并形成电流，并对形成电流的大小进行统计和记录。

6、可选地，所述模态分选模块包括：第一全息图、第二全息图、第一电子透镜、第二电子透镜；

7、所述第一全息图位于所述第一电子透镜的前方f1处，所述f1为所述第一电子透镜的焦距；

8、所述第二全息图位于所述第一电子透镜的后方f1处；

9、所述第二电子透镜位于所述第二全息图的后方f2处，所述f2为所述第二电子透镜的焦距；

10、所述第一全息图、所述第二全息图、所述第一电子透镜、所述第二电子透镜各自的中心均在同一水平高度上；

11、所述多模态涡旋电子束依次通过所述第一全息图、所述第一电子透镜、所述第二全息图、所述第二电子透镜进行初步分选。

12、可选地，所述分选扩距模块位于第二电子透镜的后方f2处；所述分选扩距模块包括：n-1个静电双棱镜结构；

13、所述静电双棱镜结构包括：加电压的细丝电极、第一接地板状电极以及第二接地板状电极；

14、所述第一接地板状电极、所述第二接地板状电极分别位于所述细丝电极的上、下方，且与所述细丝电极的距离均为第一预设距离。

15、可选地，每个所述收集支路包括：收集电极和示波器；

16、所述收集电极位于所述分选扩距模块的后方第二预设距离处，用于收集电子；

17、所述收集电极与所述示波器之间电连接；

18、相邻两个所述收集电极之间的距离为第三预设距离。

19、可选地，所述模态分选模块(101)对所述多模态涡旋电子束进行初步分选后，不同模态的电子按照模态数依次分布在不同位置，相邻模态电子之间的距离与电子束的物质波波长λ、第二电子透镜f2成正比。

20、可选地，初步分选后的不同模态分量电子进入所述分选扩距模块(102)后，受电场力的作用，使得电子的运动轨迹将会进行角度为α的偏转，以实现对初步分选后的不同模态分量电子之间的空间距离进行扩大，所述α与静电双棱镜上的细丝电极所加电压成正比。

21、可选地，分选扩距模块中静电双棱镜细丝电极的位置应该放置于分选后的不同模态电子束的中间。

22、可选地，所述第三预设距离q与第二预设距离l和角度α的正切值tanα成正比。

23、可选地，所述模态分选模块、所述分选扩距模块、所述电子收集模块按顺序先后安装于真空环境中。

24、本发明还提供一种应用以上任一所述的量子态轨道角动量涡旋电磁波多模态解复用装置，对包含n个轨道角动量模态的多模态涡旋电子束进行多模态解复用的方法，所述方法包括：

25、模态分选模块对所述多模态涡旋电子束进行初步分选，将所述多模态涡旋电子束中的不同轨道角动量模态的对应电子分量分选到空间的不同对应位置，以形成初步分选距离为s的电子束，并输入至所述分选扩距模块；

26、所述分选扩距模块中静电双棱镜结构对初步分选后的不同模态分量电子施加电场力，使得不同模态分量电子各自的之间运动轨迹发生角度为α的偏转，并输入至所述电子收集模块；

27、所述电子收集模块中每个收集支路收集一个模态的对应电子并形成电流，并对形成电流的大小进行统计和记录。

28、本发明提供的量子态轨道角动量涡旋电磁波多模态解复用装置，其包括：模态分选模块、分选扩距模块、电子收集模块。

29、模态分选模块接收到包含n个轨道角动量的多模态涡旋电子束，电子束在形成时的加速电压为u2，模态分选模块对多模态涡旋电子束进行初步分选，将多模态涡旋电子束中的不同轨道角动量模态的电子分量分选到空间的不同对应位置，以形成初步分选距离为s的不同模态对应电子并输入至分选扩距模块。

30、分选扩距模块对初步分选后的不同模态分量对应电子施加电场力，使得不同模态分量电子各自的之间运动轨迹发生角度为α的偏转，以实现对初步分选后的不同模态分量电子之间的空间距离进行扩大。

31、电子收集模块包括：n个收集支路，其中，每个收集支路收集一个相应模态的电子并形成电流，并利用示波器对该形成电流的大小、强弱及变化进行统计和记录。

32、本发明所提量子态轨道角动量涡旋电磁波多模态解复用装置，不但成功在不少于两个模态混合的涡旋电子束中，分离出每个模态分量的信号，并且不同模态之间电子的距离较大，便于收集。形成大小、强弱及变化的精度识别度较高的电信号，可以被应用于量子态轨道角动量电磁波传输架构的复用解调。