本發明專利技術公開了一種基于GS算法的渦旋光束自適應預校正方法與系統。本發明專利技術提供的渦旋光束自適應預校正系統，由發射模塊、接收模塊、數據傳輸模塊和主機構成。本發明專利技術基于GS算法，通過探測高斯探針光束的光強分布，計算預校正相位屏，并將預校正相位加載在發射模塊渦旋光束中，進而補償由介質不均勻引起的相位畸變。其原理可理解為預校正屏引入“畸變”，而不均勻介質“補償”了“畸變”。實驗表明，經過本自適應預校正系統后，渦旋光束的模式純凈度有了明顯的提高。本發明專利技術系統結構穩定，利于操作，可實現相位畸變的實時校正。同時系統中省去了波前分析儀等器件，大大降低了成本。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及光電
，尤其涉及一種基于GS算法的畸變渦旋光束自適應預校正方法與系統
技術介紹
渦旋光束是一種新型光束，具有螺旋形波前結構。與高斯光束相比，渦旋光束的橫截面光強分布表現為一中空的環形，這是由于在光束中心相位不確定，存在相位奇點。常見的渦旋光束是拉蓋爾高斯光束和貝塞爾高斯光束。渦旋光束攜帶有軌道角動量，其每一個光子攜帶的軌道角動量為其中，為約化普朗克常數；l為角量子數，也稱為拓撲電荷，是軌道角動量的本征值。理論上，角量子數l可以取任意非零整數，其對應的本征態是無窮多的，可構成無窮維希爾伯特空間。因此，可實現單光子承載無窮多的相互正交的軌道角動量態。由于渦旋光束的這種正交性，當采用渦旋光束進行光通信時，可引入一種新的復用方式——模式復用，且模式復用可與傳統的波分復用、偏振復用等結合，極大地拓展了光通信系統的信道容量。美國南加州大學通過渦旋光束的模式復用與傳統的偏振復用和波分復用相結合的方式，實現了自由空間中100TB/s的信號傳輸(Hao Huang等，Optics Letters，第39卷，197-200頁)。同時，渦旋光束在轉速測量，光鑷，表面等離子體，天文探測等領域也具有極高的應用價值。當渦旋光束經過不均勻介質時，會產生相位畸變。在基于渦旋光束的光通訊系統中，相位畸變會引起不同階次渦旋光束間的碼間串擾，使軌道角動量譜彌散，進而引起信道傳輸誤碼率的增加。在渦旋光束的其他應用中，畸變的渦旋光束會使系統性能大大降低。因此，對畸變的渦旋光束進行相位補償與校正，是十分必要的。國內外學者在渦旋光束的自適應補償方面做了很多研究。美國南加州大學的科研人員將高斯探針光束與渦旋光束偏振復用進行傳輸，若傳輸路徑中存在非均勻介質(如大氣湍流等)，則高斯探針光束與渦旋光束會經歷相同的相位畸變，通過波前分析儀測出高斯探針光束的波前畸變，計算校正相位屏，實現對畸變渦旋光束的自適應校正(Yongxiong Ren等，Optics Letters，第39卷，2845-2848頁)。華中科技大學的研究人員利用此方法，實現了多路復用渦旋光束的自適應校正(Shuhui Li等，Optics Letters，第41卷，1482-1485頁)。然而，這些方法均需用到波前分析儀，其價格十分昂貴，不利于實際應用。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術提供了一種基于GS算法的畸變渦旋光束自適應校正方法與系統。該方法與系統無需波前分析儀，電腦主機通過面陣探測器(如CCD相機等)讀取的畸變后的探針高斯光束的光場分布，利用GS相位恢復算法，直接計算預校正相位屏，并自動加載在發射模塊的相位調制器件上，則接收端可獲得經過相位畸變補償的渦旋光束。當傳輸過程中介質的不均勻性發生變化時，主機會根據面陣探測器接收的畸變高斯探針光斑的變化實時計算新的預校正相位屏，實現渦旋光束的自適應預校正。與未經補償的渦旋光束相比，其軌道角動量譜的彌散減弱許多，不同模式間碼間串擾大大較低。本專利技術的一種基于GS算法的畸變渦旋光束自適應校正方法，采用高斯探針光束與渦旋光束偏振復用同軸傳輸的方式，通過接收端面陣探測器實時讀取畸變后的探針高斯光束的光場分布，利用GS相位恢復算法，直接計算預校正相位屏。其中，高斯探針光束的光斑直徑應大于渦旋光束的光斑直徑。主機自動將計算好的實時預校正屏加載在發射模塊發射的渦旋光束中，則經過非均勻介質 (如大氣湍流等)后，我們可獲得畸變自適應補償后的渦旋光束。其原理可理解為，我們先計算了預校正屏給渦旋光束引入“畸變”，而后傳輸過程中的非均勻介質相當于“補償”了預校正引入的“畸變”。本專利技術的一種基于GS算法的畸變渦旋光束自適應校正系統，其具備：發射模塊，用于將高斯探針光束與射入本系統的渦旋光束偏振正交合束，并同軸發射，同時，其具備相位調制器件(如液晶空間光調制器、變形鏡等)，可將預校正相位加載在渦旋光束上；接收模塊，用于將發射模塊發射的偏振正交合束的光束分離，一路為高斯探針光束，另一路為渦旋光束，其中，采用面陣探測器(如CCD相機等)探測高斯探針光束；數據傳輸模塊，用于將接收模塊采集的高斯探針光束光斑快速傳輸至主機，并將主機計算得到的預校正相位屏傳輸至發射模塊；主機，用于計算預校正相位屏。本專利技術的一種基于GS算法的可計算預校正相位屏的主機系統，包括：讀取部，其讀入數據傳輸模塊傳來的由接收模塊采集的高斯探針光束的光強分布I；控制部，設定迭代次數N，計數器初始化n＝1；第一計算部，設定初始高斯探針光束的振幅為A0，設定初始平面相位，并根據傳輸距離及標量衍射理論計算接收端復振幅分布E1；第二計算部，將接收端復振幅E1中的振幅項替換為得到新的復振幅，在此基礎上根據標量衍射理論計算發射端復振幅E0；第三計算部，將發射端復振幅E0中的振幅項替換為A0，在此基礎上根據標量衍射理論計算接收端復振幅E1，同時將n+1賦值給n，并進入判斷部；判斷部，判斷n與N的大小關系，若n<＝N，則進入第二計算部，否則，進入輸出部；輸出部，輸出迭代完成后，取最后一次迭代計算中，第二計算部發射端復振幅E0中的相位項，即預校正相位屏，并將預校正相位屏輸出至數據傳輸模塊。本專利技術具有如下有益效果：(1)可通過設定任意迭代次數來控制校正效果；(2)可實現實時預校正；(3)操作簡單，渦旋光束的預校正可自動完成；(4)沒有使用波前分析儀，系統成本大大降低。附圖說明圖1為計算基于GS算法的預校正補償相位屏的計算流程圖。圖2為本專利技術的實施方式構成圖。圖3為本專利技術的基于GS算法的渦旋光束自適應預校正系統中，發射模塊的內部構成圖，其中，301-激光器，302-半波片1，303-反射鏡，304-相位調制器件，305-半波片2，306-偏振分光棱鏡。圖4為本專利技術的基于GS算法的渦旋光束自適應預校正系統中，接收模塊的內部構成圖，其中，401-準直系統，402-偏振分光棱鏡，403-面陣探測器。圖5為本專利技術的主機內部系統構成圖。圖6為引入預校正前后不同階次單一模式渦旋光束的實驗光斑圖樣。圖7為不同湍流情形下校正前與校正后的渦旋光束所需模式的比重(模式純凈度)變化圖表。圖8為引入預校正前后不同多模復用渦旋光束的實驗光斑圖樣。圖9為多模復用渦旋光束在預校正前后軌道角動量譜的變化。圖10為主機中計算預校正相位屏時，不同迭代次數對預校正效果的影響的示意圖。具體實施方式下面結合附圖并實施例，對本專利技術做一詳細描述。本專利技術用于渦旋光束的自適應預校正，可補償由于介質折射率不均引起的相位畸變。GS迭代算法由R.W.Gerchberg和W.O.Saxton于1972年提出(R.W.Gerchberg等，Optik，第35卷，237-246頁)，該算法可用于設計衍射光學器件。GS算法可根據已知的輸入平面上光場振幅分布和要求的輸出平面上光場分布，計算得到所需的輸入平面上光場相位分布。本專利技術基于GS算法，提供了預校正相位屏的計算方法，其計算流程圖如圖1所示。該計算方法可理解為，已知發射端初始高斯探針光束的振幅分布A0，初始平面相位為則初始光場可表示為根據標量衍射理論，計算接收端光場分布，可表示為: E = F - 1 { 本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于GS算法的畸變渦旋光束自適應預校正系統，其特征在于，具備：發射模塊，用于將高斯探針光束與射入本系統的渦旋光束偏振正交合束，并同軸發射，同時，其具備相位調制器件(如液晶空間光調制器、變形鏡等)，可將預校正相位加載在渦旋光束上；接收模塊，用于將發射模塊發射的偏振正交合束的光束分離，一路為高斯探針光束，另一路為渦旋光束，其中，采用面陣探測器(如CCD相機等)探測高斯探針光束；數據傳輸模塊，用于將接收模塊采集的高斯探針光束光斑快速傳輸至主機，并將主機計算得到的預校正相位屏傳輸至發射模塊；主機，用于計算預校正相位屏。
【技術特征摘要】
1.一種基于GS算法的畸變渦旋光束自適應預校正系統，其特征在于，具備：發射模塊，用于將高斯探針光束與射入本系統的渦旋光束偏振正交合束，并同軸發射，同時，其具備相位調制器件(如液晶空間光調制器、變形鏡等)，可將預校正相位加載在渦旋光束上；接收模塊，用于將發射模塊發射的偏振正交合束的光束分離，一路為高斯探針光束，另一路為渦旋光束，其中，采用面陣探測器(如CCD相機等)探測高斯探針光束；數據傳輸模塊，用于將接收模塊采集的高斯探針光束光斑快速傳輸至主機，并將主機計算得到的預校正相位屏傳輸至發射模塊；主機，用于計算預校正相位屏。2.根據權利要求1所述的系統，其中，發射模塊包括激光器，半波片1，半波片2，反射鏡和相位調制器件(液晶空間光調制器、變形鏡等)，偏振分光棱鏡，其特征在于：所述激光器用于生成與入射渦旋光束波長相同的基模高斯探針激光；所述半波片1用于置于激光器輸出的激光光路中，用于調節高斯探針激光的偏振態；所述反射鏡置于渦旋光束的入射光路中，用于改變渦旋光束的傳播方向，同時可保證發射模塊出射渦旋光束的軌道角動量態不變；所述相位調制器件置于反射鏡的后方激光光路中，用于給渦旋光束引入預校正相位；所述半波片2置于相位調制器件后方的激光光路中，用于調節入射渦旋光束的偏振態；所述偏振分光棱鏡用于將渦旋光束和高斯探針光束偏振正交合束，并輸出。3.根據權利要求1所述的系統，其中，接收模塊包括準直系統，偏振分光棱鏡和面陣探測器，其特征在于：所述準直系統用于將入射共軸傳輸...
【專利技術屬性】
技術研發人員：高春清，付時堯，張世坤，王彤璐，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。