具体实施方式

参考图1至图6，描述了一种用于发射和接收电磁辐射束的方法，该方法适合于确定接收到的电磁辐射束的轨道角动量。

该方法首先包括产生至少一个主电磁辐射束F1的步骤，以及产生参考电磁辐射束F0的步骤，该主电磁辐射束由第一轨道角动量L₁、在第一频带中的第一谱和第一束曲率半径表征，该参考电磁辐射束F0由第二轨道角动量L₀、在与上述第一频带不同的第二频带中的第二谱、以及与上述第一束曲率半径基本上一致的第二束曲率半径表征。

需要注意的是，上述基于第一轨道角动量L₁和第二轨道角动量L₀的表征也可以相应地按照拓扑电荷(l₁，l₀)来描述，因为角动量L和拓扑电荷l通过以下关系相关联：

L＝(l*h)/2π(其中，h是普朗克常数)。

因此，该方法包括产生复合电磁辐射束Q1，该复合电磁辐射束包含上述至少一个主束F1和参考束F0的叠加，并且发射由此产生的复合电磁辐射束Q1。

该方法还包括借助于位于第一位置中的第一束检测器1来接收上述复合电磁辐射束Q1以产生第一复合束电信号D1的步骤，该第一复合束电信号D1代表在这样的第一位置中复合束的电场、和/或磁场、和/或电磁辐射的强度；以及借助于位于相对于上述第一位置的第二不同位置中的第二束检测器2来接收上述复合电磁辐射束Q1以产生第二复合束电信号D2的步骤，该第二复合束电信号D2代表在这样的第二位置中复合束的电场、和/或磁场、和/或接收到的电磁辐射的强度。

该方法还包括以下步骤：执行第一复合束电信号D1的频率鉴别以得到第一主束电信号P1和第一参考束电信号R1，该第一主束电信号P1代表在所述第一位置中归因于主束的电场、和/或磁场、和/或强度，该第一参考束电信号R1代表在第一位置中归因于参考束的电场、和/或磁场、和/或强度；以及执行第二复合束电信号D2的频率鉴别以得到第二主束电信号P2和第二参考束电信号R2，该第二主束电信号P2代表在第二位置中归因于主束的电场、和/或磁场、和/或强度，该第二参考束电信号R2为在第二位置中归因于参考束的电场、和/或磁场、和/或强度。

最终，该方法包含基于上述第一主束电信号P1、第二主束电信号P2、第一参考束电信号R1和第二参考束电信号R2来确定主电磁辐射束的轨道角动量L₁和/或归因于主束轨道角动量L₁的主电磁辐射束的空间相位变量。

根据该方法的一实施方式，确定步骤包括：确定第一相位差值ΔP，该第一相位差值ΔP对应于第一主束电信号P1的相位与第二主束电信号P2的相位之间的差；进而，确定第二相位差值ΔR，该第二相位差值ΔR对应与第一参考束电信号R1的相位与第二参考束电信号R2的相位之间的差；然后，从第一相位差值ΔP除以第一波数k中减去第二相位差值ΔR除以第二波数k'以得到差值(Q2＝ΔP/k-ΔR/k')，上述差值与上述第一检测器与第二检测器之间的位置倾斜度条件无关，而是由两个检测器相对于束传播的相对位置导出的，所述差值与由于经发射的复合束在接收前受到的干扰而引起的相位变量无关；并且然后基于上述得到的差值(Q2＝ΔP/k–ΔR/k')确定主电磁辐射束的轨道角动量。

第一波数k为对应于主束的波数、被定义为k＝2π/λ，λ为属于上述第一频带的上述主束的波长。第二波数k'为对应于参考束的波数、被定义为k'＝2π/λ'，λ'为属于上述第二频带的上述参考束的波长。

“位置倾斜度(positional inclination)”(或位置倾斜“positional tilt”)的定义为指示连接两个检测器的直线与该直线在与束传播轴线正交的平面上的(正交)投影之间形成的角度。

根据具体实施示例，确定主电磁辐射束的轨道角动量的步骤包括基于下式确定主电磁辐射束的轨道角动量：

ΔP/k–ΔP/k'∝(L₁/k-L₀/k')(θ₂-θ₁)

其中，θ₁为在与包含第一检测器的复合束传播矢量正交的平面上测得的第一检测器的角位置；θ₂为在与包含第二检测器的复合束传播矢量正交的平面上测得的第二检测器的角位置；∝指示成比例的。

根据一实施选项，确定第一相位差值ΔP的步骤包括借助于第一相位比较器3将第一主束电信号P1的相位与第二主束电信号P2的相位进行比较；确定第二相位差值ΔR的步骤包括借助于第二相位比较器4将第一参考束电信号R1的相位与第二参考束电信号R2的相位进行比较。

根据另一实施选项，确定第一相位差值ΔP的步骤包括在第一主束电信号P1与第二主束电信号P2之间执行相关运算(correlation operation)；并且确定第二相位差值ΔR的步骤包括在第一参考束电信号R1与第二参考束电信号R2之间执行相关运算。

根据该方法的实施方式，参考束的轨道角动量始终是已知的。

根据一实施选项，参考束的轨道角动量取常数值L₀＝0。

根据该方法的一实施方式，第一检测器1的第一位置和第二检测器2的第二位置是固定且恒定的，并且与束的奇点(singularity point)的位置不同。

根据该方法的另一实施方式，第一检测器1的第一位置和/或第二检测器2的第二位置是可移动的，并且在上述第一位置与第二位置之间的相互关系(reciprocalrelationship)始终是已知的。

根据一实施选项，第二频带基本上是单频的(monochromatic)。

根据一特定的实施选项，第二频带与第一频带相邻。

根据该方法的可能实施方式，执行第一复合束电信号或第二复合束电信号的频率鉴别的步骤包括执行频率过滤，或者借助于外差技术或其他频率分离方法来执行频率分离。

根据该方法的一实施方式，至少一个主电磁辐射束是未调制的。

根据该方法的其他实施方式，至少一个主电磁辐射束是振幅-调制的，和/或相位-调制的，和/或频率-调制的，和/或轨道角动量-调制的。

根据该方法的一实施方式，前面提到的所有发射的和接收到的电磁束都是光束和/或激光束。

在下文中，利用相关的物理数学分析给出了该方法的具体实施示例。

在以下描述以及在图1和图2中，为简单起见，不同信号所在的点(第一复合束电信号D1、第二复合束电信号D2、第一主束电信号P1、第一参考束电信号R1、第二主束电信号P2、第二参考束电信号)被指代为与各自信号相同的名称。

正如已经观察到的，复合束Q1由至少一个具有轨道角动量L＝L₁(除0外)的束(本文中定义为主束F1)叠加在角动量L＝L₀的束(本文中定义为参考束F0)上产生。

主束可以是调制的或未调制的。参考束具有不与主束的频带重叠的频带。参考束的频带优选地是准单频的并且与主束的频带相邻。参考束基本上具有与主束相同的曲率和相同的传播矢量。参考束优选具有的拓扑电荷l₀＝0，这也意味着轨道角动量L₀＝0。

由具有轨道角动量L₁的主束产生的空间相位差的识别是通过在空间中除了涡旋的奇点的点以外的任意位置使用两个检测器得到的。

众所周知，“涡旋的奇点(singularity of vortex)”的表述是指涡旋中的点，在该点处电磁场的结果被减小到零并且在该点处不能确定场的相位。

在主束未调制的情况下，在第一检测器1上的电场E₁或者相关信号(在图2中指示为D1)可以由以下解析式代表：

其中，t为时间，A₁和B₁为非零的任意振幅，l₁为主束的拓扑电荷，l₀为参考束的拓扑电荷，θ₁为在与包含第一检测器1的复合束传播矢量正交的平面上测得的检测器的角位置，和是归因于位置倾斜度的任意相位，以及和为归因于传播波前的干扰的任意相位。

同样地，在第二检测器2上的电场E2或者相关信号(图2中指示为D2)可以用以下解析式代表：

其中，t为时间，A₂和B₂为非零的任意振幅，l₁为主束的拓扑电荷，l₀为参考束的拓扑电荷，θ₂为在与包含检测器2的复合束传播矢量正交的平面上测得的检测器2的角位置，和为归因于位置倾斜度的任意相位，以及和为归因于传播波前的干扰的任意相位。

作为以上定义的几何量的进一步说明，图6借助于点划线示出了由前面已经描述的复合束产生系统(在图6中用附图标记30指示)产生的复合束Q1的传播轴线z。图6还指出了与传播轴线z正交的平面xy，两个检测器1和2各自的位置矢量和以及两个检测器各自的上述角位置θ₁和θ₂。

场或相关信号借助于各种可能的技术(这些技术本身是已知的)在频率上分离，以便在R1和R2中仅具有参考束的频带中的场或相关信号，而在P1和P2中仅具有主束的频带中的场或相关信号。

因此可以得到以下解析表达式：

在R1中：

在R2中：

在P1中：

在P2中：

第二相位比较器4提供与场以及R1与R2之间的相关信号的相位差成比例的量：

第一相位比较器3提供与场以及P1与P2之间的相关信号的相位差成比例的量：

因为主束具有基本上等于参考束曲率的曲率、以及基本上与参考束传播方向一致的传播方向，因此与倾斜度(倾斜)相关的相位差具有极好的近似性：

因为归因于传播的畸变现象对于主束和参考束(叠加在复合束中发射)而言是非常相似的，因此与畸变相关的相位差具有极好的近似性：

此外，可以选择两个相位比较器的比例常数、以使相位差一致。

基于以上情况，信号Q2提供了与差值成正比的量：

正如所希望的，这样的量与位置倾斜度和归因于传播的干扰无关。

一旦测量了Q2的值(即，ΔP/k–ΔR/k')，在θ₁、θ₂、k、k'和l₀(参考束的拓扑电荷，可以初始地设置)的值是已知的情况下，则主束的拓扑电荷值l₁由上述式很容易得到，因此也可以得到主束的轨道角动量L₁，请记住：

L＝(l*h)/2π。

如果主束是相位调制的，则R1、R2、P1、P2点处的等式变为：

在R1中：

在R2中：

在P1中：

在P2中：

其中，δ(t)为归因于在第一检测器和第二检测器上同样地检测到的相位调制的时变相位项。因为相位项δ(t)在第二相位比较器2的输出处进行补偿，还得到以下结果：

如果主束是频率-调制的，则R1、R2、P1、P2点处的等式变为：

在R1中：

在R2中：

在P1中：

在P2中：

其中，m(τ)为随时间变化的调制信号，以及k_f是常数。由于该项在第二相位比较器的输出处进行补偿，仍然将得到以下结果：

现在将描述一种方法，该方法也包括在本发明中，该方法用于执行根据任何已知调制技术调制的、并借助于轨道角动量变量复用进行分组的信号的远程通讯。

这种方法包括：产生由第一轨道角动量L₁表征的第一电磁辐射束F1的步骤，以及产生由至少一个相应的第二轨道角动量L₂表征的至少一个第二电磁辐射束F2的步骤。第一电磁辐射束F1和至少一个第二电磁辐射束F2在相同的第一频带中具有各自的谱，并且还具有与第一束曲率半径值基本上一致各自的曲率半径。

然后，该方法包含：借助于任何调制技术在第一电磁辐射束F1上调制待发射的第一条信息(由第一调制函数a(t)代表)，以获得第一调制束Fm1；进而，借助于任何调制技术在至少一个第二电磁辐射束F2上调制至少一个待发射的第二信息(由第二调制函数b(t)代表)，以获得第二调制束Fm2；然后，产生参考电磁辐射束F0，该参考电磁辐射束由第二轨道角动量L₀、在不同于上述第一频带的第二频带中的第二谱、以及第二束曲率半径表征，第二束曲率半径具有与上述第一束曲率半径值基本上一致的值。

然后，该方法包括：叠加和/或组合上述参考束F0、第一调制束Fm1和第二调制束Fm2以产生复合电磁辐射束Q1的步骤，该复合电磁辐射束Q1包含参考束F0和主束的叠加，进而包含上述第一调制束Fm1和至少一个第二调制束Fm2的叠加。

然后，该方法包括发射所产生的复合电磁辐射束Q1的步骤。

然后，该方法包括：借助于位于第一位置的第一束检测器1来接收上述复合电磁辐射束，以产生第一复合束电信号D1，该第一复合束电信号代表在上述第一位置中复合束的电场、和/或磁场、和/或电磁辐射的强度；以及借助于位于相对于第一位置的第二不同位置的第二束检测器来接收上述复合电磁辐射束，以产生第二复合束电信号D2，该第二复合束电信号D2代表在所述第二位置中复合束的电场、和/或磁场、和/或接收到的电磁辐射的强度。

该方法还包括：执行第一复合束电信号D1的频率鉴别以得到第一主束电信号P1和第一参考束电信号R1的步骤，该第一主束电信号P1代表在第一位置中归因于主束的电场、和/或磁场、和/或强度，该第一参考束电信号R1代表在第一位置中归因于参考束的电场、和/或磁场、和/或强度；以及执行第二复合束电信号D2的频率鉴别以得到第二主束电信号P2和第二参考束电信号R2的步骤，该第二主束电信号P2代表在第二位置中归因于主束的电场、和/或磁场、和/或强度，该第二参考束电信号R2代表在第二位置中归因于参考束的电场、和/或磁场、和/或强度。

该方法还包含：确定第一主束电信号P1的相位与第二主束电信号P2的相位；更进一步地，确定第一参考束电信号R1的相位与第二参考束电信号R2的相位；然后，确定第一相位差值ΔP_ab，该第一相位差值ΔP_ab对应于第一主束电信号P1的相位与第二主束电信号P2的相位之间的差，其中这样的第一相位差值ΔP_ab取决于第一调制函数a(t)和第二调制函数b(t)的取值；更进一步地，确定第二相位差值ΔR，该第二相位差值ΔR对应于第一参考束电信号R1的相位与第二参考束电信号R2的相位之间的差。

然后，该方法包括：从第一相位差值ΔP_ab除以第一波数k中减去第二相位差值ΔR除以第二波数k'以得到差值(Q2＝ΔP_ab/k–ΔR/k')的步骤。第一波数k为对应于主束的波数、被定义为k＝2π/λ，λ为属于上述第一频带的上述主束的波长。第二波数k'为对应于参考束的波数、被定义为k'＝2π/λ'，λ'为属于上述第二频带的上述参考束的波长。

上述差值Q2代表第一调制函数a(t)和第二调制函数b(t)取值的组合，而与第一检测器1与第二检测器2之间的位置倾斜度条件无关、并且与由于经发射的复合光束在接收前受到的干扰而引起的相位变量无关。

最终，该方法包含：基于上述确定的差值(Q2＝ΔP_ab/k-ΔR/k')对第一调制束Fm1和至少一个调制束Fm2中的每一者上调制的信息进行解复用和解调制。

根据这种方法的实施方式，轨道角动量复用的调制束的数量大于2。

根据这种方法的一实施方式，第一电磁辐射束F1和至少一个第二电磁辐射束F2根据第一调制函数a(t)和至少一个第二调制函数b(t)的振幅进行数字化振幅调制。

在这种情况下，差值(Q2＝ΔP_ab/k-ΔR/k')可以取多个期望值，每个期望值代表第一调制函数a(t)和至少一个第二调制函数b(t)所取的数字振幅值的相应组合。

根据一实施选项，第一电磁辐射束F1和至少第二电磁辐射束F2以二进制的方式进行数字化振幅调制，并且第一调制函数a(t)和至少一个第二调制函数b(t)的振幅可以取逻辑值0或1。

在这种情况下，该方法还包括检测接收到的、对应于第一主束电信号P1或第二主束电信号P2的功率或强度Q3(借助于检测器16)的步骤，并且将接收到的功率或强度与最小阈值进行比较。

确定的差(Q2＝ΔP_ab/k-ΔR/k')可以取第一期望值(ΔP₁₀/k-ΔR/k')、或第二期望值(ΔP₀₁/k-ΔR/k')、或第三期望值(ΔP₁₁/k-ΔR/k')，该第一期望值取决于第一角动量(L₁)，该第二期望值取决于第二角动量(L₂)，该第三期望值取决于第一角动量和第二角动量的组合。

解调制、解复用和解调制该调制信息的步骤包括：如果确定的差(ΔP_ab/k-ΔR/k')取上述第一期望值(ΔP₁₀/k-ΔR/k')，则识别第一调制束Fm1携带对应于1的信息、并且第二调制束Fm2携带对应于0的信息；如果确定的差(ΔP_ab/k-ΔR/k')取上述第二期望值(ΔP₀₁/k-ΔR/k’)，则识别第一调制束Fm1携带对应于0的信息、并且第二调制束Fm2携带对应于1的信息；如果确定的差(ΔP_ab/k-ΔR/k')取上述第三期望值(ΔP₁₁/k-ΔR/k’)，则识别第一调制束Fm1携带对应于1的信息、并且第二调制束Fm2携带对应于1的信息；如果接收到的功率或强度Q3小于上述最小阈值，则识别第一调制束Fm1携带对应于0的信息、并且第二调制束Fm2携带对应于0的信息。

根据这种方法的另一实施方式，基于角动量对第一电磁辐射束F1和至少一个第二电磁辐射束F2进行数字化调制。在这种情况下，第一束F1的角动量可以基于第一调制函数a(t)取两个不同的离散值，并且至少一个第二束F2的角动量可以基于各自的至少一个第二调制函数b(t)取两个不同的离散值。

差值(Q2＝ΔP_ab/k-ΔR/k')可以取多个期望值，每个期望值代表第一调制函数a(t)和至少的第二调制函数b(t)所取的数字振幅值的相应组合。

根据一实施选项，第一调制函数a(t)和至少的第二调制函数b(t)的振幅可以取逻辑值0或1。

确定的差(ΔP_ab/k-ΔR/k')可以：当第一调制函数a(t)取值1且第二调制函数取值0时，取第一期望值(ΔP₁₀/k-ΔR/k')；或，当第一调制函数a(t)取值0且第二调制函数取值1时，取第二期望值(ΔP₀₁/k-ΔR/k')；或，当第一调制函数a(t)取值1且第二调制函数取值1时，取第三期望值(ΔP₁₁/k-ΔR/k')；或，当第一调制函数a(t)取值0且第二调制函数取值0时，取第四期望值(ΔP₀₀/k-ΔR/k')。

在这种情况下，对调制信息进行解调制、解复用和解调制的步骤包括：如果确定的差(ΔP_ab/k-ΔR/k')取第一期望值(ΔP₁₀/k-ΔR/k')，则识别第一调制束Fm1携带对应于1的信息、并且第二调制束Fm2携带对应于0的信息；如果确定的差(ΔP_ab/k-ΔR/k')取第二期望值(ΔP₀₁/k-ΔR/k’)，则识别第一调制束Fm1携带对应于0的信息、并且第二调制束Fm2携带对应于1的信息；如果确定的差(ΔP_ab/k-ΔR/k')取第三期望值(ΔP₁₁/k-ΔR/k’)，则识别第一调制束Fm1携带对应于1的信息、并且第二调制束Fm2携带对应于1的信息；如果确定的差(ΔP_ab/k-ΔR/k')取第四期望值(ΔP₀₀/k-ΔR/k’)，则识别第一调制束Fm1携带对应于0的信息、并且第二调制束Fm2携带对应于0的信息。

根据这种方法的实施方式，上面提到的发射的和接收的电磁束是光束和/或激光束。

下面给出了上述远程通讯的方法的、利用相关的物理-数学分析的具体实施示例。

在以下描述以及图3至图5中，为简单起见，不同信号(第一复合束电信号D1、第二复合束电信号D2、第一主束电信号P1、第一参考束电信号R1、第二主束电信号P2 f、第二参考束电信号R2)所在的点被指示为与各自信号相同的名称。

具有角动量L₁的第一束(此处定义为第一主束F1)和具有角动量L₂的第二束(此处定义为第二主束F2)被叠加在具有角动量L₀的参考束上，如图3所示。两个主束具有重合和/或重叠的频带、并且(在本文详述的示例中)是数字化振幅-调制的。此外，两个主束具有基本上一致的曲率。

电信号D1处的电场可由以下解析式描述：

其中，t为时间，A₁(t)和C₁(t)为随时间变化的主束的振幅，B₁为参考束的非零的任意振幅，l₁为第一主束的拓扑电荷，l₂为第二主束的拓扑电荷，l₀为参考束的拓扑电荷，θ₁为在与包含第一检测器1的复合束传播矢量正交的平面上测得的第一检测器的角位置，和为归因于位置倾斜度的任意相位，而和为归因于传播波前干扰的任意相位。

电信号D2处的电场可由以下解析式描述：

其中，t为时间，A₂(t)和C₂(t)为随时间变化的主束振幅，B₂为参考束的非零的任意振幅，l₁为第一主束的拓扑电荷，l₂为第二主束的拓扑电荷，l₀为参考束的拓扑电荷，θ₂为在与包含第二检测器2的复合束传播矢量正交的平面上测得的第二检测器的角位置，和为归因于位置倾斜度的任意相位，而和为归因于传播波前干扰的任意相位。

如前面已经观察到的，信号D1和D2借助于两个检测器测量，参考束与主束在频率上区别开来，因此使用下式得到了R1、R2、P1、P2中的信号：

-在R1中：

-在R2中：

-在P1中：

-在P2中：

在R1和R2中只有参考束，在P1和P2中有叠加的主束。

第二相位比较器4提供了与相位差成比例的量：

在数字调制中，振幅可以写为A₁＝A_1maxa(t)、A₂＝A_2maxa(t)、C₁＝C_1maxb(t)、C₂＝C_2maxb(t)，其中函数a(t)和b(t)取值0或1，这取决于分别在第一调制器和第二调制器中数字化调制的信息。

A_1max、C_1max为代表由第一检测器接收到的主束(分别为第一和第二)的场或信号的最大振幅；A_2max、C_2max为代表由第二检测器接收到的主束(分别为第一和第二)的场或信号的最大振幅。在发射器中，将主束的振幅设置为使它们相等是可能的，即：

A_1max＝C_1max，A_2max＝C_2max。

第一相位比较器3提供了与P1和P2中的场或信号之间的相位差成比例的量，该相位差取决于调制函数a(t)、b(t)的数字编码。

现在将考虑所有可能的组合。

当a(t)＝0且b(t)＝0时，主束的振幅相互抵消，因此相位差是不确定的。

当a(t)＝1且b(t)＝0时，仅存在具有角动量L₁的第一主束，因此适用与上面在单个主束的情况下已经描述的关系类似的关系：

当a(t)＝0且b(t)＝1时，仅存在具有角动量L₂的第二主束，因此适用与上面在单个主束的情况下已经描述的关系类似的关系：

当a(t)＝1且b(t)＝1时，都存在主束，因此以下关系成立：

基于上述关系，计算出调制信号的所有可能组合是可能的，以便消除归因于位置倾斜度和传播相关的波前畸变的相位任意性，类似于在单个主束的情况下所描述的。

总之，因此得到了以下关系。

当a(t)＝0且b(t)＝0时，主束的振幅相互抵消，因此相位差是不确定的。

当a(t)＝1且b(t)＝0时，得到以下结果：

当a(t)＝0且b(t)＝1时，得到以下结果：

当a(t)＝1且b(t)＝1时，考虑到主束也具有基本上一致的曲率，得到以下结果：

可以简单地由适当地选择参考束和两个主束的拓扑电荷l₀、l₁、l₂(即，各自的轨道角动量)来容易地区分上述量(ΔP₁₀/k–ΔR/k')、(ΔP₀₁/k-ΔR/k')、(ΔP₁₁/k-Δr/k')，即，设置为三种不同的预定义的已知值。因此，在接收时测量的这些量是可识别的、并且是施用于两个主束中的每一个的调制值0或1的说明。在这些量上编码的信息因此可以被解码，即，解调制和识别。

此外，有利地，使这些量与归因于位置倾斜度的相位差无关、并且与传播波前的畸变无关，这可以由于参考束的存在而消除(如上面已经注意到的)。

拓扑电荷值的选择的可能示例为：

l₀＝0，l₁＝0，l₂＝2。

其他组合显然是可检测的。

依然存在待识别的状态a(t)＝0、b(t)＝0，该状态的相位未确定(如上所示)。这种状态很容易识别，因为这是唯一的组合，在该组合中消除了两个主束接收到的场或信号的振幅。因此，当在点Q3处检测到的(借助于图4中所示的检测器16)信号的强度或功率低于预定义阈值时，确定性地识别状态a(t)＝0、b(t)＝0。或者，都可以监测第一复合束电信号D1和第二复合束电信号D2，以便识别两个信号都低于各自的预定义阈值的情况。

下面给出了上述基于轨道角动量调制的、利用相关的物理-数学分析的远程通讯的方法的具体实施示例。

角动量调制可以使用类似于已经为数字化振幅调制情况开发的参数来描述。

调制函数a(t)、b(t)取值0或1，这取决于分别在第一调制器和第二调制器中数字化调制的信息。这种调制函数根据所取的二进制值，即取决于由a(t)和b(t)取值的函数L₁和L₂，分别确定第一电磁辐射束和至少一个第二电磁辐射束的角动量的离散变量：

L₁＝L₁(a(t))，L₂＝L₂(b(t))

即，等效地参照拓扑电荷：l₁＝l₁(a(t))，l₂＝l₂(b(t))。

因此，存在于R1、R2、P1、P2中的信号可以表示为：

-在R1中：

-在R2中：

-在P1中：

-在P2中：

在R1和R2中仅存在参考束；在P1和P2中存在叠加的主束。

第二相位比较器4提供了与相位差成比例的量(如在一般情况下)：

第一相位比较器3提供了与P1和P2中的场或信号之间的相位差成比例的量，该相位差取决于调制函数a(t)、b(t)的数字编码。

考虑所有可能的组合，得到以下结果：

其中，组合由索引a、b以及函数a(t)、b(t)所取的相应值来确定。

然后，差ΔP_ab/k-ΔR/k'针对调制信号的所有可能组合、借助于下式来计算，以便消除归因于位置倾斜度和与传播相关的波前畸变的相位任意性：

可以选择拓扑电荷值l₀、l₁(0)、l₁(1)、l₂(0)、l₂(1)或各自相应的轨道角动量，使得相应的量(ΔP₀₀/k-ΔR/k')、(ΔP₀₁/k-ΔR/k')、(ΔP₁₀/k-ΔR/k')、(ΔP₁₁/k-ΔR/k')彼此不同而因此可识别，以允许解码(解调制)编码的(调制的)信息。

此外，上述量与归因于传播波前的位置倾斜度和畸变的相位差无关，这可以由于参考束的存在而消除。

拓扑电荷值选择的示例为l₀＝0、l₁(0)＝0、l₁(1)＝1、l₂(0)＝0、l₂(1)＝2，由此得出：

如可以看出的，上述四个量是不同的，因此可以被识别。

与上面报告的示例类似，其他的值分配显然是可能的。

应该注意的是，角动量调制在许多方面类似于振幅调制，图3和图4中所示的框图也适合于角动量调制，唯一明显的区别为调制器调制的是角动量而不是振幅。此外，在这种情况下，图4和图5的阈值检测器不是必需的。

参考图1和图2，现在描述用于发射和接收电磁辐射束的系统，该系统适合于确定接收到的电磁辐射束的轨道角动量。

这种系统包括用于产生主电磁辐射束F1的装置5、用于产生参考电磁辐射束F0的装置6、用于产生复合电磁辐射束Q1(如图1所示)的装置7和发射复合电磁辐射束Q1(如图1所示)的装置14、用于接收复合电磁辐射束的装置、第一束检测装置1、第二束检测装置2、第一频率鉴别装置8、第二频率鉴别装置9和用于确定轨道角动量的装置10(如图2所示)。

用于产生主电磁辐射束的装置5被配置为产生主电磁辐射束F1，该主电磁辐射束F1由第一轨道角动量L₁、第一频带中的第一谱和第一束曲率半径表征。

用于产生参考电磁辐射束的装置6被配置为产生参考电磁辐射束F0，该参考电磁辐射束F0由第二轨道角动量L₀、在不同于所述第一频带的第二频带中的第二谱、以及与所述第一束曲率半径基本上一致的第二束曲率半径表征。

用于产生复合电磁辐射束的装置7和发射复合电磁辐射束的装置14被配置为产生复合电磁辐射束Q1，该复合电磁辐射束包含上述主束F1和参考束F0的叠加、并用于发射这种产生的复合电磁辐射束Q1。

用于接收复合电磁辐射束的装置包括：位于第一位置中的第一束检测装置1，该第一束检测装置被配置为产生第一复合束电信号D1，该第一复合束电信号代表在第一位置中复合束的电场、和/或磁场、和/或电磁辐射的强度；以及位于第二位置中的第二束检测装置2，该第二束检测装置被配置为产生第二复合束电信号D2，该第二位置相对于上述第一位置是不同的，该第二复合束电信号代表在第二位置中复合束的电场、和/或磁场、和/或电磁辐射的强度。

第一频率鉴别装置8被配置为执行第一复合束电信号D1的频率鉴别以得到第一主束电信号P1以及第一参考束电信号R1，该第一主束电信号P1代表在第一位置中归因于主束的电场、和/或磁场、和/或强度，该第一参考束电信号R1代表在第一位置中归因于参考束的电场、和/或磁场、和/或强度。

第二频率鉴别装置9被配置为执行第二复合束电信号的频率鉴别以获得第二主束电信号P2和第二参考束电信号R2，该第二主束电信号P2代表在第二位置中归因于主束的电场、和/或磁场、和/或强度，该第二参考束电信号R2代表在第二位置中归因于参考束的电场、和/或磁场、和/或强度。

用于确定轨道角动量的装置10被配置为基于上述主束第一电信号P1、第二主束电信号P2、第一参考束电信号R1和第二参考束电信号R2来确定主电磁辐射束的轨道角动量L₁、和/或归因于主束轨道角动量L₁的主电磁辐射束的空间相位变量。

根据不同的实施选项，该系统被配置为执行根据上述任一实施方式的用于发射和接收电磁辐射束的方法。

根据该系统的一实施方式，用于产生主电磁辐射束的装置5和用于产生参考电磁辐射束的装置6包括一个或多个本身已知的电磁束源或发射器(例如，在实施选项中，激光)。

根据一实施选项，用于产生主电磁辐射束的装置5还包括振幅、和/或频率、和/或相位调制器50，和/或一个或多个角动量调制器50(例如，这种角动量调制器50可以是空间光调制器)。

根据该系统的一实施方式，用于产生复合电磁辐射束的装置7包括具有两个或更多个本身已知的输入和输出的电磁束组合器(例如，束组合器)。

根据该系统的一实施方式，第一束检测装置1包括适合于在第一束和第二束的频率下工作的一个或多个膜片(光学开口)、或天线、或一组天线、或任何其他本身已知的电磁束接收器。例如，用于发射电磁束的装置14包括一个或多个发射天线。

根据该系统的一实施方式，第二束检测装置2包括适合于在第一束和第二束的频率下工作的一个或多个膜片(光学开口)、或天线、或一组天线、或任何其他本身已知的电磁束接收器。

根据不同的实施方式，第一频率鉴别装置8和第二频率鉴别装置9可以包括本身已知的频率滤波器。

根据该系统的实施方式，用于确定轨道角动量的装置10包括：至少两个相位比较器3、4和至少一个处理器15，该用于确定轨道角动量的装置被配置为借助于处理(例如，根据前面所示的公式)、基于来自相位比较器的输出信号导出轨道角动量。

根据该系统的一实施方式，用于确定轨道角动量的装置10包括：至少两个相关器11、12和至少一个处理器15，该用于确定轨道角动量的装置被配置为借助于处理(例如，根据前面所示的公式)、基于来自相关器的输出信号导出轨道角动量。

参考图5，本文进一步提供了关于涉及相关器的使用的实施选项的进一步细节。

在这种情况下，代替使用提供了与相位差ΔP或ΔR成比例的值的相位比较器，使用了提供了与相位差cos(ΔP)或cos(ΔR)的余弦成比例的值的相关器。然后，相位差由反函数来确定：

ΔP＝arccos[cos(ΔP)]

ΔR＝arccos[cos(ΔR)]

相关性可以借助于P1和P2或R1和R2代表的场或信号的直积来确定。

可替代地，可以借助于通过测量在P1和P2处分别具有强度I_P1和I_P2的场之间、或者在R1和R2处分别具有强度为I_R1和I_R2的场之间的干涉平均强度<I>的干涉来确定相关性，知道了：

cos(ΔP)＝(<I>-I_P1-I_P2)/(2(I_P1I_P2)^1/2)

cos(ΔR)＝(<I>-I_R1-I_R2)/(2(I_R1I_R2)^1/2)

根据上述系统的一实施方式，上面提及的发射和接收的电磁束是光束和/或激光束。

参考图3和图4，现在将描述用于根据任何已知的调制技术执行调制的、并且借助于轨道角动量变量复用进行分组的信号的远程通讯的系统。

这种系统包括用于产生电磁束的装置5、6，调制装置50，束组合和/或叠加装置7，发射装置14，束接收装置1、2、8、9，相位确定装置20和处理装置15。

用于产生电磁束的装置5、6被配置为产生由第一轨道角动量L₁表征的第一电磁辐射束F1，以及产生由至少一个相应的第二轨道角动量L₂表征的至少一个第二电磁辐射束F2。

第一电磁辐射束F1和至少一个第二电磁辐射束F2在相同的第一频带中具有各自的谱，并且还具有与第一束曲率半径值基本上一致的各自的曲率半径。

用于产生电磁束的装置5、6被进一步配置为产生参考电磁辐射束F0，该参考电磁辐射束F0由第二轨道角动量L₀、在不同于上述第一频带的第二频带中的第二谱、以及第二束曲率半径表征，第二束曲率半径具有与上述第一束曲率半径值基本上一致的值。

调制装置50被配置为借助于任何振幅、和/或相位、和/或频率调制技术在第一电磁辐射束F1上调制由第一调制函数a(t)代表的、待发射的第一条信息，以得到第一调制束Fm1；借助于任何振幅、和/或相位、和/或频率调制技术在至少一个第二电磁辐射束F2上调制由第二调制函数b(t)代表的、待发射的至少一个第二条信息，以得到第二调制束Fm2。

束组合和/或叠加装置7被配置为叠加和/或组合上述参考束F0、第一调制束Fm1和第二调制束Fm2，以产生复合电磁辐射束Q1，该复合电磁辐射束Q1包含参考束和主束的叠加，进而包含上述第一调制束Fm1和至少一个第二调制束Fm2的叠加。

发射装置14被配置为发射上述产生的复合电磁辐射束。

用于接收复合电磁辐射束的装置包括第一束检测装置1、第二束检测装置2、第一频率鉴别装置8、第二频率鉴别装置9。

第一束检测装置1位于第一位置中，并且被配置为产生第一复合束电信号D1，该第一复合束电信号代表在第一位置中复合束的电场、和/或磁场、和/或电磁辐射的强度。

第二束检测装置2位于相对于第一位置不同的第二位置中，并且被配置为产生第二复合束电信号D2，该第二复合束电信号代表在第二位置中复合束的电场、和/或磁场、和/或电磁辐射的强度。

第一频率鉴别装置8被配置为执行第一复合束电信号D1的频率鉴别以得到第一主束电信号P1以及第一参考束电信号R1，该第一主束电信号代表在第一位置中归因于主束的电场、和/或磁场、和/或强度，该第一参考束电信号代表在第一位置中归因于参考束的电场、和/或磁场、和/或强度。

第二频率鉴别装置9被配置为执行第二复合束电信号的频率鉴别以获得第二主束电信号P2和第二参考束电信号R2，该第二主束电信号代表在第二位置中归因于主束的电场、和/或磁场、和/或强度，该第二参考束电信号代表在第二位置中归因于参考束的电场、和/或磁场、和/或强度。

相位确定装置20被配置为确定第一主束电信号P1的相位与第二主束电信号P2的相位，并且还被配置为确定第一参考束电信号R1的相位与第二参考束电信号R2的相位。

相位确定装置20被进一步配置为确定对应于第一主束电信号P1的相位与第二主束电信号P2的相位之间的差的第一相位差值ΔP_ab，其中这样的第一相位差值ΔP_ab取决于第一调制函数a(t)和第二调制函数b(t)所取的值；更进一步地，确定对应于第一参考束电信号R1的相位与第二参考束电信号R2的相位之间的差的第二相位差值ΔR；更进一步地，从第一相位差值ΔP_ab除以波数k中减去第二相位差值ΔR除以波数k'，以得到差值Q2＝ΔP_ab/k–ΔR/k'。第一波数k为对应于主束的波数、被定义为k＝2π/λ，λ为属于上述第一频带的上述主束的波长。第二波数k'为对应于参考束的波数、被定义为k'＝2π/λ'，λ'为属于上述第二频带的上述参考束的波长。

上述差值Q2＝ΔP_ab/k-ΔR/k'代表第一调制函数a(t)和第二调制函数b(t)所取的值的组合，而与第一检测器1与第二检测器2之间的位置倾斜度条件无关、并且与由于经发射的复合束在接收前受到的干扰而引起的相位变量无关。

处理装置15被配置为基于前述确定的差值Q2＝ΔP_ab/k-ΔR/k'来解复用和解调制在第一调制束Fm1和至少一个第二调制束Fm2中的每一者上的调制信息。

根据不同的实施方式，该系统被配置为执行根据上述实施方式中的任一个的电磁辐射束远程通讯的方法。

根据系统的一实施方式，用于产生电磁束的装置5、6包括一个或多个本身已知的电磁束源或发射器(例如，在实施选项中，激光)。

根据系统的一实施方式，调制装置50包括本身已知的振幅、和/或频率、和/或相位、和/或角动量调制器。

根据系统的一实施方式，第一束检测装置1和第二束检测装置2包括各自适合于在第一束和第二束的频率下工作的一个或多个膜片(光学开口)、或者天线、或一组天线、或任何其他本身已知的电磁束接收器。

根据系统的一实施方式，第一频率鉴别装置8和第二频率鉴别装置9包括本身已知的频率滤波器。

根据系统的一实施方式，相位确定装置20包括至少两个本身已知的相位比较器3、4。

根据系统的一实施方式，第一频率鉴别装置和第二频率鉴别装置包括本身已知的相关器11、12。关于这样的相关器，同样的考虑也适合于上面参考用于发射和接收电磁束的系统。

根据系统的一实施方式，处理装置15包括一个或多个本身已知的处理器、以及相关软件。

根据上述系统的一实施方式，上面提及的发射和接收的电磁束是光束和/或激光束。

可以注意到，本发明的目的完全是通过上述系统和方法、凭借上述系统和方法的功能和结构特点来实现的。

事实上，上面说明的用于发射和接收电磁束的系统和方法能够精确且可靠地检测接收到的束的轨道角动量，该方法和系统以与接收器的位置倾斜度无关、并且与在传播期间束经受的畸变无关的方式检测。

这是凭借在两个不同点对复合束进行双空间检测来实现的，该复合波除了待研究的束外，还包括另一参考束。

精确且可靠地检测接收到的束的轨道角动量的可能性进而又有利地适合于多种不同的应用，包括例如束的表征和用于远程通讯目的的角动量变量的利用。

参考远程通讯的应用，本发明的方法和系统允许利用轨道角动量变量作为附加自由度，这对于信号调制和信号复用都是有利的。

特别地，轨道角动量提供了额外的复用级别(具有随之而来的明显优势)，从而允许对从其他复用变量(例如，时间或频率)的角度来看相同的信号进行分组，并且这些信号可以基于不同的轨道角动量进行区分。

本领域的技术人员为了满足可能的需要，可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下，对上述系统和方法的实施方案进行修改和调整，并用其他功能等效的元件替换。可以实现被描述为属于可能实施方式的每个特征，而不考虑描述的其他实施方式。