本發(fā)明涉及光電技術領域，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(tǒng)

背景技術：

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(huán)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(jīng)發(fā)現(xiàn)渦旋光束的復振幅表達式中含有項，其中，l為角量子數(shù)，也稱為拓撲電荷數(shù)，為角向坐標(L.Allen等，Physical Review A，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(shù)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(shù)可以為任意非零整數(shù)，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(xiàn)了可能。因此，渦旋光束可以以模式復用的方式應用于傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)中，大大擴展了光通信系統(tǒng)的信道容量，并實現(xiàn)了Tbit量級的光通信(J.Wang等，Nature Photonics，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(zhì)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(tǒng)中，表現(xiàn)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(tǒng)的通信質(zhì)量。為了克服這一關鍵問題，國內(nèi)外學者在如何實現(xiàn)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(jīng)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(Yongxiong Ren等，Optics Letters，第39卷，2845-2848頁)。北京理工大學則開發(fā)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(xiàn)了畸變渦旋光束的自適應校正，大大降低了系統(tǒng)成本(Shiyao Fu等，Optics Letters，第41卷，3185-3188頁)。然而，上述提到的現(xiàn)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(tǒng)的復雜性。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明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(tǒng)。該方法與系統(tǒng)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(yōu)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(fā)射模塊的相位調(diào)制器件上，則接收端可獲得經(jīng)過相位畸變補償?shù)臏u旋光束。當傳輸過程中介質(zhì)的不均勻性發(fā)生變化時，主機會根據(jù)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(xiàn)渦旋光束的自適應預校正。與未經(jīng)補償?shù)臏u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。

本發(fā)明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(yōu)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(fā)射模塊發(fā)射的渦旋光束中，則經(jīng)過非均勻介質(zhì)(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(jù)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(zhì)相當于“補償”了預校正引入的“畸變”。

本發(fā)明的一種無波前無探針的畸變渦旋光束自適應校正系統(tǒng)，其具備：

發(fā)射模塊，用于發(fā)射渦旋光束，同時，其具備相位調(diào)制器件(如液晶空間光調(diào)制器、變形鏡等)，可將預校正相位加載在渦旋光束上，實現(xiàn)對渦旋光束的畸變預校正調(diào)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(shù)據(jù)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(fā)射模塊；

主機，用于計算預校正相位屏。

本發(fā)明的一種基于GS算法的可無探針分析計算預校正相位屏的主機系統(tǒng)，包括：

讀取部，其讀入數(shù)據(jù)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(shù)N，計數(shù)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(fā)射模塊發(fā)射的渦旋光束的相位一致，并根據(jù)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(jù)標量衍射理論計算發(fā)射端復振幅E₀；

第三計算部，將發(fā)射端復振幅E₀中的振幅項替換為A₀，在此基礎上根據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)傳輸模塊。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)沒有設置探針高斯光束，系統(tǒng)結構大大簡化；

(2)沒有使用波前分析儀，系統(tǒng)成本大大降低；

(3)可通過設定任意迭代次數(shù)來控制校正效果；

(4)可實現(xiàn)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(yōu)化后的預校正補償相位屏的計算流程圖。

圖2為本發(fā)明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為本發(fā)明的實施方式構成圖。

圖4為本發(fā)明的無波前無探針的渦旋光束自適應預校正系統(tǒng)中，發(fā)射模塊的內(nèi)部構成圖，

圖5為本發(fā)明的無波前無探針的渦旋光束自適應預校正系統(tǒng)中，接收模塊的內(nèi)部構成圖，

圖6為本發(fā)明的主機內(nèi)部系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)r₀下，不同迭代次數(shù)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，對本發(fā)明做一詳細描述。

本發(fā)明用于渦旋光束的自適應預校正，可補償由于介質(zhì)折射率不均引起的渦旋光束相位畸變。本發(fā)明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(jù)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。本發(fā)明基于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(fā)射端初始渦旋光束的振幅分布A₀，初始渦旋相位為則初始光場可表示為根據(jù)標量衍射理論，計算接收端光場分布，可表示為:

$E=F^{-1}\{F\left(E_0\right)\&CenterDot;\exp \&lsqb;ikd(1-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}^2}{2}(f_x^2+f_y^2\left)\right)\&rsqb;\}$

其中，F(xiàn)和F^-1分別表示傅里葉變換與傅里葉逆變換，f_x和f_y是空間坐標x，y對應的頻域坐標，k為波數(shù)，λ為波長，d為衍射距離。接收端光場也可表示為E＝A·exp(iφ)并可提取出相位項φ，因此將面陣探測器探測到的畸變渦旋光束的振幅引入，得到新的接收端光場此時利用此光場進行衍射逆運算得到發(fā)射端光場分布，可表示為

$E_0=F^{-1}\{F\left(E\right)\&CenterDot;\exp \&lsqb;-ikd(1-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}^2}{2}(f_x^2+f_y^2\left)\right)\&rsqb;\}$

在得到發(fā)射端光場分布后，我們將其振幅項替代為初始渦旋光束的振幅A₀，保留其相位項，并繼續(xù)進行衍射積分運算。當?shù)\算完成后，輸出發(fā)射端光場的相位，并與初始螺旋相位做減法，運算之差就是預校正相位。

圖2給出了本發(fā)明的無波前無探針的畸變渦旋光束自適應校正的原理。當一束渦旋光束經(jīng)不均勻介質(zhì)傳輸(如大氣湍流等)時，渦旋光束的光場會產(chǎn)生畸變。采用面陣探測器探測畸變渦旋光束的光強分布，結合改進后的GS算法計算出預校正相位屏，則該預校正相位屏可補償渦旋光束的相位畸變。本發(fā)明亦可理解為，預校正相位屏先引入“畸變”，而傳輸過程中的不均勻介質(zhì)實現(xiàn)了畸變的補償。

下面結合圖3，簡要的介紹本發(fā)明的具體實施方式構成。本發(fā)明的具體實施方式構成包括發(fā)射模塊，接收模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊和主機。

發(fā)射模塊，用于發(fā)射渦旋光束，同時，其具備相位調(diào)制器件(如液晶空間光調(diào)制器、變形鏡等)，可將預校正相位加載在渦旋光束上，實現(xiàn)對渦旋光束的畸變預校正調(diào)制。如圖4所示，包括渦旋光束光源，全反鏡，相位調(diào)制器件，其中：

所述渦旋光束光源用于產(chǎn)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(fā)射模塊出射渦旋光束的軌道角動量態(tài)不變；

所述相位調(diào)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。

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。如圖5所示，包括準直系統(tǒng)，分光棱鏡和面陣探測器。其中：

所述準直系統(tǒng)用于將入射的渦旋光束準直；

所述分光棱鏡置于準直系統(tǒng)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，一路透射輸出；

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；

數(shù)據(jù)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(fā)射模塊；

主機，用于計算預校正相位屏。如圖6所示，包括一種基于GS算法的可無探針分析計算預校正相位屏的主機系統(tǒng)。其具備：讀取部，其讀入數(shù)據(jù)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(shù) N，計數(shù)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(fā)射模塊發(fā)射的渦旋光束的相位一致，并根據(jù)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(jù)標量衍射理論計算發(fā)射端復振幅E₀；第三計算部，將發(fā)射端復振幅E₀中的振幅項替換為A₀，在此基礎上根據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)傳輸模塊。

下面列兩個具體實施例，系統(tǒng)闡述本發(fā)明的無波前無探針的畸變渦旋光束自適應預校正的方法與系統(tǒng)的校正效果。

實施例1：渦旋光束的自適應預校正

本實施例及以下幾個實施例中，均采用功率譜反演法模擬大氣湍流，特別的，模擬了兩種不同強度的大氣湍流，其Fried系數(shù)r₀分別為1mm和3mm。進而引入相位畸變。本實施例采用+1階，+2階，+3階，+4階，+5階和+6階渦旋光束入射，如圖7所示。圖7中，自上而下分別為無湍流，有湍流(r₀＝1mm)無校正，有湍流(r₀＝1mm)有校正，有湍流(r₀＝3mm)無校正，有湍流(r₀＝3mm)時測得的渦旋光束的光強分布；從左至右分別為+1～+6階渦旋光束。從圖7可以看出，預校正前后光強分布改善良好。

為了定量分析預校正前后渦旋光束的相位恢復情況，我們分析了模式純凈 度，如圖8所示。圖8給出了不同湍流情形下，+2階和+3階渦旋光束在預校正前后的模式純凈度的變化。可以看出，預校正后，模式純凈度有了明顯的提升。

同時，我們也分析了預校正前后渦旋光束軌道角動量譜的變化，如圖9a)和9(b)所示。對于圖9(a)，D/r₀為3.46，對于圖9(b)，D/r₀為1.15?？梢钥闯?，預校正前，不同模式間串擾較強，特別是在強湍流(圖9(a))時，模式彌散較為嚴重。預校正后，軌道角動量譜的彌散有了很好的改善。

實施例2：預校正后模式純凈度隨主機中迭代次數(shù)的變化

本發(fā)明中，主機計算預校正相位屏的迭代次數(shù)，會影響到預校正效果。本實施例中，我們測量+2階渦旋光束在經(jīng)過r₀＝1mm(D/r₀＝3.46)和r₀＝3mm(D/r₀＝1.15)的湍流時，經(jīng)不同迭代次數(shù)的預校正后的模式純凈度，如圖10所示，可以看出迭代次數(shù)越多，模式純凈度越高。

綜上，可以得出，本發(fā)明的一種無波前探針的畸變渦旋光束自適應預校正方法與系統(tǒng)可很好的補償介質(zhì)折射率不均勻給渦旋光束帶來的相位畸變。本發(fā)明可實時快速完成渦旋光束的自適應預校正，亦可通過設定迭代次數(shù)來改變預校正效果。本發(fā)明沒有使用波前分析儀和探針高斯光束，大大降低了系統(tǒng)的復雜度，并節(jié)約了系統(tǒng)成本。本發(fā)明在光通信、天體探測、旋轉(zhuǎn)體探測等領諸多域中，都具有很好的應用價值。

以上內(nèi)容雖然詳細地述了本發(fā)明，但本領域技術人員應知本發(fā)明不限于上述的描述。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。