一種無波前無探針的畸變渦旋光束自適應校正方法與系統技術方案

本發明專利技術公開了一種無波前無探針的畸變渦旋光束自適應預校正方法與系統，可用于校正補償渦旋光束在傳輸過程中由于介質折射率不均引起的相位畸變。通過接收模塊中的面陣探測器直接讀取畸變渦旋光束的光強分布，結合基于GS迭代算法的相位恢復算法，可獲得預校正相位屏。將該預校正相位屏作用于發射模塊發射的渦旋光束中，實現渦旋光束的自適應預校正，進而補償相位畸變。實驗表明，本發明專利技術的自適應預校正系統可減少模式間串擾，并大大提升了模式純凈度。本發明專利技術系統結構穩定，可實現相位畸變的實時校正。另外，本發明專利技術沒有采用探針方法和實驗波前分析儀，降低了系統復雜性并節約了成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光電
，尤其涉及一種無波前無探針的畸變渦旋光束自適應校正方法與系統
技術介紹
渦旋光束是一種新型激光束，具有螺旋形波前結構，并攜帶有軌道角動量。與高斯光束相比，渦旋光束的橫截面光強呈一中空的環形，這是由于其螺旋形相位在光束中心存在相位奇點所致的。早在1992年，Allen等就已經發現渦旋光束的復振幅表達式中含有項，其中，l為角量子數，也稱為拓撲電荷數，為角向坐標(L.Allen等，PhysicalReviewA，1992年第45卷，8185頁)。渦旋光束中每一個光子均攜帶的軌道角動量(為約化普朗克常量),即角量子數l決定了渦旋光束中每一個光子攜帶的軌道角動量的多少，是渦旋光束攜帶軌道角動量的特征值。角量子數可以為任意非零整數，可構成一無窮維希爾伯特空間，即不同階次的渦旋光束是相互正交的，這就為單光子承載無窮維信息量實現了可能。因此，渦旋光束可以以模式復用的方式應用于傳統的光通信系統中，大大擴展了光通信系統的信道容量，并實現了Tbit量級的光通信(J.Wang等，NaturePhotonics，2012年第6卷，488頁)。同時，渦旋光束在光鑷、光學扳手、激光加工、天體探測等領域也具有十分重要的應用價值。在渦旋光束的傳輸過程中，常常會由于傳輸介質的不均勻性，引起了渦旋光束的畸變，進而導致軌道角動量譜的彌散，這對基于渦旋光束的許多應用是十分不利的。比如，在基于渦旋光束的通信系統中，表現為不同模式間碼間串擾的增強和誤碼率的提升，并大大影響通信系統的通信質量。為了克服這一關鍵問題，國內外學者在如何實現渦旋光束的自適應校正領域做了許多研究。美國南加州大學的科研人員提出了一種以高斯光束為探針，將探針與渦旋光束以偏振復用的形式同軸傳輸，在接收端通過分析探針高斯光束的畸變波前即可計算畸變補償相位屏。由于探針高斯光束與渦旋光束經歷了相同的湍流，則獲得的畸變補償相位屏對渦旋光束同樣有效(YongxiongRen等，OpticsLetters，第39卷，2845-2848頁)。北京理工大學則開發了一種無波前探測的方法，同樣是引入高斯探針光束，但是接收端沒有使用波前分析儀，而是采用一普通的面陣探測器，通過探測畸變探針高斯光束的光場，結合相位恢復算法，來獲得補償校正屏，進而實現了畸變渦旋光束的自適應校正，大大降低了系統成本(ShiyaoFu等，OpticsLetters，第41卷，3185-3188頁)。然而，上述提到的現有的幾種畸變渦旋光束自適應校正技術，均需使用高斯探針光束，這在一定程度上增加了系統的復雜性。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術提供了一種無波前分析，無探針光束的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，且無需探針高斯光束，通過面陣探測器(如CCD相機等)讀取的畸變后的渦旋光束的光場分布，利用基于GS算法改進優化后的相位恢復算法，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渦旋光束光斑的變化來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。本專利技術的一種無波前無探針的畸變渦旋光束自適應校正方法，通過接收端面陣探測器實時讀取畸變后的渦旋光束的光場分布，利用改進優化后的GS相位恢復算法，直接計算預校正相位屏。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，可獲得畸變自適應補償后的渦旋光束。其原理可理解為，根據畸變后的渦旋光束先計算了預校正屏并先給渦旋光束引入“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”。本專利技術的一種無波前無探針的畸變渦旋光束自適應校正系統，其具備：發射模塊，用于發射渦旋光束，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，實現對渦旋光束的畸變預校正調制；接收模塊，用于探測畸變渦旋光束的光場分布，其中，采用面陣探測器(如CCD相機等)探測畸變渦旋光束；數據傳輸模塊，用于將接收模塊采集的畸變渦旋光束的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算法的可無探針分析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畸變渦旋光束的光強分布I；控制部，設定迭代次數N，計數器初始化n＝1；第一計算部，設定初始渦旋光束的振幅為A0，設定初始螺旋相位其中該螺旋相位應與發射模塊發射的渦旋光束的相位一致，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，進入第四計算部；第四計算部，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，并與第一計算部中設定的初始螺旋相位做減法，得到預校正相位屏；輸出部，輸出第四計算部獲得的預校正相位屏，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)沒有設置探針高斯光束，系統結構大大簡化；(2)沒有使用波前分析儀，系統成本大大降低；(3)可通過設定任意迭代次數來控制校正效果；(4)可實現實時預校正；(5)操作簡單，渦旋光束的預校正可自動完成。附圖說明圖1為計算基于GS算法改進優化后的預校正補償相位屏的計算流程圖。圖2為本專利技術的無波前無探針的畸變渦旋光束自適應校正原理圖解圖3為本專利技術的實施方式構成圖。圖4為本專利技術的無波前無探針的渦旋光束自適應預校正系統中，發射模塊的內部構成圖，圖5為本專利技術的無波前無探針的渦旋光束自適應預校正系統中，接收模塊的內部構成圖，圖6為本專利技術的主機內部系統構成圖。圖7為引入預校正前后不同階次渦旋光束的實驗光斑圖樣。圖8為不同湍流情形下預校正前與預校正后的渦旋光束的模式純凈度變化圖表。圖9(a)為大氣Fried系數r0＝1mm時+2階渦旋光束在預校正前后軌道角動量譜的變化。圖9(b)為大氣Fried系數r0＝3mm時+2階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，在不同的大氣Fried系數r0下，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渦旋光束相位畸變。本專利技術的相位恢復算法基于GS迭代算法，它由R.W.Gerchberg和W.O.Saxton于1972年提出(R.W.Gerchberg等，Optik，第35卷，237-246頁)，可用于設計衍射光學器件。GS迭代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，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種無波前無探針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，用于發射渦旋光束，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，實現對渦旋光束的畸變預校正調制；接收模塊，用于探測畸變渦旋光束的光場分布，其中，采用面陣探測器(如CCD相機等)探測畸變渦旋光束；數據傳輸模塊，用于將接收模塊采集的畸變渦旋光束的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】
1.一種無波前無探針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，用于發射渦旋光束，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，實現對渦旋光束的畸變預校正調制；接收模塊，用于探測畸變渦旋光束的光場分布，其中，采用面陣探測器(如CCD相機等)探測畸變渦旋光束；數據傳輸模塊，用于將接收模塊采集的畸變渦旋光束的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，發射模塊包括渦旋光束光源，全反鏡，相位調制器件，其特征在于：所述渦旋光束光源用于產生渦旋光束；所述全反鏡置于渦旋光束光源后方的激光光路中，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。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，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的渦旋光束準直；所述分光棱鏡置于準直系統后方的激光光路中，用于激光分束，其中一束反射至面陣探測器，一束透射輸出；所述面陣探測器置于分光棱鏡的反射光路中，用于探測渦旋光束的光強分布。4.根據權利要求1所述的系統，其中，主機包括讀...

【專利技術屬性】
技術研發人員：高春清，付時堯，王彤璐，張世坤，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11