具有軌道角動量的渦旋光束實時對準系統方法與流程

2023-10-04 04:58:49 1

本發明涉及通信技術，特別涉及一種具有軌道角動量態的渦旋光束實時對準系統方法。

背景技術：

渦旋光束是具有螺旋型波前和相位奇點的一種特殊光場，相位奇點是指光場中那些相位不確定的地方，由於自身的幹涉相消，光束中心強度為零，是一種暗中空的光束。光學渦旋場的暗中空特性以及軌道角動量與物質的相互作用，使其在光學微操縱、原子光學、生物醫學、非線性光學、光學信息傳輸等領域有著廣泛的應用。渦旋光束具有除光強、頻率、偏振外的一個新的自由度，即軌道角動量。光束軌道角動量數理論上是無限多的且不同的軌道角動量態之間具有正交性，則將軌道角動量這一全新電磁波資源用於光通信的復用傳輸可以大幅提高光通信容量。為此，用於光通信的渦旋光束的產生和探測技術越來越受到人們的關注。

渦旋光束在信道中傳輸時由於收發裝置之間的不對準，會造成接收端光束與探測器之間出現對準偏差，產生橫向位移或角向傾斜，致使軌道角動量態彌散，使得發射態在接收端不能被成功探測，嚴重影響了通信系統的性能。所以研究渦旋光束實時對準是很必要的，具有很大的實際意義。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種具有軌道角動量的渦旋光束實時對 準系統，該系統直接對帶有軌道角動量的渦旋光束進行探測並實時對準,結構清晰，有很大的應用價值。

為了達到上述目的，本發明的技術方案具體是這樣實現的：

一種具有軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)的渦旋光束實時對準系統方法，用於直接對帶有軌道角動量的渦旋光束進行探測並實時對準，其特徵在於，該系統包括：OAM譜探測裝置、渦旋光束對準裝置：

所述OAM譜探測裝置由可調諧空間光調製器、會聚透鏡、電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)和計算機構成，用於分析接收光束中不同OAM態所佔比例，計算OAM譜；

所述渦旋光束對準裝置是由驅動控制器和對準伺服系統構成，用於對接收裝置進行對準。

根據權利要求1所述的OAM渦旋光束實時對準系統，其特徵在於，所述OAM譜探測裝置包括：

可調諧空間光調製器，會聚透鏡，CCD，計算機。

可調諧空間光調製器是本系統的核心器件，其可通過計算機加載不同的螺旋相位信息，主要完成渦旋光束OAM態識別的任務。會聚透鏡將通過空間光調製器的光束會聚投射到CCD表面。CCD用來對入射光強進行探測，把光學影像轉化為數字圖像信號，傳遞給計算機，計算機計算數字圖像信號的能量總和，得到OAM譜、OAM態平均值和彌散程度等，進而得到驅動控制器所需的對準數據，傳遞給驅動控制器。

根據權利要求1所述的OAM渦旋光束實時對準系統，其特徵在於，所述渦旋光束對準裝置包括：

驅動控制器：用於接收計算機傳來的對準數據，並結合校準驅動算法，生成對準指令用來驅動伺服系統。

伺服系統：根據驅動控制器傳來的對準指令，控制接收裝置的移動來進行光束的實時對準。

一種OAM渦旋光束實時對準系統，其特徵在於，該系統包括：

A.渦旋光束經過信道傳輸後，進入到渦旋光束探測裝置，被可調諧空間光調製器去渦旋，經過會聚透鏡會聚，將接收到的光束呈現在CCD上，CCD將光強信息轉化為數字圖像信號，傳給計算機，計算機通過對CCD的圖像進行處理，得到對準所需的OAM譜及彌散程度，依據OAM譜的分布特點及彌散程度與偏移類型(橫向位移和角向傾斜)的關係，制定對準策略；

B.驅動控制器接收來自計算機的對準數據，結合特有的驅動算法，生成對準指令用來驅動伺服系統對光束進行實時對準。

根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，步驟A所述OAM譜探測裝置的實現方案包括：

A1、產生的渦旋光束經過信道傳輸，在接收端經過可調諧的空間光調製器處理，將光束中各個OAM態分別轉換為相應的高斯光束；

A2、轉換而來的高斯光束經過會聚透鏡會聚照射在CCD上進行探測，CCD將光強信息轉化為數字圖像信號，傳遞給計算機，計算機對CCD傳來的OAM譜進行處理，得到對準所需軌道OAM譜的 平均值和彌散程度其中m是OAM的拓撲荷數，Pm表示偏移光束中拓撲荷數為m的OAM態的功率佔總功率的比值，Pm～m即為OAM譜。當光束對準時V＝0，當光束髮生偏移時V＞0。

根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，步驟B所述渦旋光束對準裝置的實現方案包括：

B1、首先判斷OAM平均值是否等於發射態拓撲荷數，如果是，那麼說明不存在橫向位移。如果不是，那說明光束一定發生了橫向位移，需要先對橫向位置進行調整，一直調到和發射態拓撲荷數相等為止。再看彌散程度V是否接近零，如果是那說明光束未發生角向傾斜或角向傾斜很小；如果彌散程度值V比較大，那說明光束髮生了角向傾斜，需要對接收裝置進行角向調整。

B2、在對橫向位移進行調整時，調整坐標軸為x和y軸。以x軸調整為例來說明驅動控制器控制伺服系統校準算法的實現原理，y軸調整與此相似，這裡就不再贅述。設某次調整前的OAM譜的平均值為調整量為Δx，調整後計算所得的螺旋譜平均值為如果 說明調整方向正確，繼續向之前的調整方向進行調整，如果說明調整方向不正確，則需要把調整位置復位，之後向相反方向調整，直到計算所得的螺旋譜平均值達到最大值，則x軸方向調整完畢。

B3、在對角向進行調整時，調整坐標軸為γ和η軸，驅動控制器控制伺服系統校準算法以γ軸調整為例來說明，η軸調整與此相似， 這裡就不再贅述。設某次調整前的彌散程度為Vi，調整量為Δγ，調整後計算所得的彌散程度為Vi+1，比較調整前後的彌散程度，如果Vi+1＜Vi，說明調整方向正確，繼續向之前的調整方向進行調整，如果Vi+1＞Vi，說明調整方向不正確，則需要把調整位置復位，之後向相反方向調整，直到計算所得的彌散程度達到最小值，則γ軸方向調整完畢。

由上述的技術方案可見，本發明提供一種具有軌道角動量的渦旋光束實時對準系統，該系統直接以渦旋光束為參照進行對準，更能滿足實際信息傳輸系統的要求，提高了精確性，並且能夠進行實時的調整，很大程度上抑制了信道不穩定性造成的光束抖動，結構清晰，有很大的應用價值。

附圖說明

圖1為本發明一種具有軌道角動量的渦旋光束實時對準系統的結構示意圖。

圖2為本發明一種具有軌道角動量的渦旋光束實時對準系統的流程圖。

具體實施方法

為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明進一步詳細說明。

本發明提供了一種具有軌道角動量態的渦旋光束實時對準系統和方法，渦旋光束髮射裝置產生系統所需渦旋光束，並發射進信道進行傳輸；渦旋光束經過信道傳輸後，進入到OAM探測裝置，被可調 諧空間光調製器接收，經過會聚透鏡會聚，將接收到的光束光強呈現在CCD上，CCD通過對圖像進行處理，將圖像信息轉換為數位訊號，發送給計算機。最後到達OAM光束對準裝置，通過計算機對CCD傳來的圖像信息進行計算，得到對準所需的軌道角動量譜及彌散程度，依據軌道角動量譜的分布特點及彌散程度與偏移類型的關係，再結合驅動控制器特有的驅動算法，通過控制伺服系統對光束進行實時對準。

圖1為本發明基於一種具有軌道角動量態的渦旋光束實時對準系統的結構示意圖。現結合圖1，對本發明具有軌道角動量態的渦旋光束實時對準系統進行說明，具體如下：

本發明一種軌道角動量態可調諧的渦旋光束產生系統包括：OAM探測裝置10、OAM對準裝置11。

OAM探測裝置10用於分析接收到的光束的OAM態成分，通過CCD將接收到的光強信息轉換為數字圖像信號，傳遞給計算機，實現渦旋光束的探測；

OAM對準裝置11通過計算機對CCD上探測到的數字圖像信息進行計算，得到對準所需的軌道角動量譜及彌散程度，依據軌道角動量譜的分布特點及彌散程度與偏移類型的關係，制定對準策略，再結合驅動控制器特有的驅動算法，對光束進行實時對準。

其中OAM探測裝置10包括可調諧空間光調製器100，會聚透鏡101，CCD102，計算機103。

可調諧空間光調製器100，將接收到的渦旋光束的不同OAM態 轉換為相應的高斯光束，用於識別OAM成分。

會聚透鏡101用於轉換而來的高斯光束經過會聚透鏡會聚照射在CCD上。

CCD102用於對接收到的光束進行成像，並對光強進行處理，將光強信息轉換為相應的數字圖像信號。

計算機103用於對CCD傳來的圖像信息進行處理，得到對準所需的軌道角動量譜及彌散程度，依據軌道角動量譜的分布特點及彌散程度與偏移類型的關係，得到對準策略。

OAM對準裝置11包括驅動控制器110，對準伺服系統111。

驅動控制器110，通過特有的驅動算法，控制伺服系統對光束進行實時對準；

對準伺服系統111，用於對光束和接收裝置進行對準調整。

圖2為本發明具有軌道角動量的渦旋光束實時對準系統方法的流程圖。現結合圖2，對本發明軌道角動量的渦旋光束實時對準系統方法進程進行說明，具體如下：

步驟201：渦旋光束髮射裝置產生系統所需的渦旋光束，並發射進信道進行傳輸；

步驟202：經過信道傳輸的渦旋光束在接收端被探測，接收裝置中的可調諧空間光調製器通過為接收到的光束附加與各接收態相反的OAM態來去渦旋，將接收光束中所需的OAM態以光斑的形式呈現在CCD上，，CCD通過對光強進行處理，將光強信息轉化為數字圖像信號，傳遞給計算機；

步驟203：通過計算機對數字圖像信息進行處理，得到OAM譜和彌散程度。依據軌道角動量譜的分布特點及彌散程度與偏移類型的關係，得到偏移調整策略；

在該步驟中，調整策略的方法包括：

2031:計算機對CCD傳來的軌道角動量譜進行處理，得到對準所需軌道角動量譜的平均值和彌散程度V。

2032:首先判斷軌道角動量平均值是否等於發射態拓撲荷數，如果是，那麼說明不存在橫向位移。如果不是，那說明光束一定發生了橫向位移，需要先對橫向位置進行調整，一直調到相等為止。再看彌散程度是否接近零，如果是那說明光束未發生角向傾斜或角向傾斜很小；如果彌散程度值比較大，那說明光束髮生了角向傾斜，需要對角向進行調整。

步驟204：結合驅動控制器特有的驅動算法，通過控制伺服系統調整接收裝置，對光束進行對準。

在該步驟中，驅動算法包括：

2041：在對橫向位移進行調整時，調整坐標軸為x和y軸。以x軸調整為例來說明驅動控制器控制伺服系統校準算法的實現原理，y軸調整與此相似，這裡就不再贅述。設某次調整前的OAM譜的平均值為調整量為Δx，調整後計算所得的螺旋譜平均值為如果 說明調整方向正確，繼續向之前的調整方向進行調整，如果說明調整方向不正確，則需要把調整位置復位，之後向相反方向調整，直到計算所得的螺旋譜平均值達到最大 值，則x軸方向調整完畢。

2042：在對角向進行調整時，調整坐標軸為γ和η軸，驅動控制器控制伺服系統校準算法以γ軸調整為例來說明，η軸調整與此相似，這裡就不再贅述。設某次調整前的彌散程度為Vi，調整量為Δγ，調整後計算所得的彌散程度為Vi+1，比較調整前後的彌散程度，如果Vi+1＜Vi，說明調整方向正確，繼續向之前的調整方向進行調整，如果Vi+1＞Vi，說明調整方向不正確，則需要把調整位置復位，之後向相反方向調整，直到計算所得的彌散程度達到最小值，則γ軸方向調整完畢。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的範圍。