[发明专利]一种基于相位差算法校正涡旋光波前畸变的方法

说明书

本发明公开了一种基于相位差算法校正涡旋光波前畸变的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：采集初始光场和畸变光场的光强信息；步骤2：进行畸变涡旋光束的自适应相位校正，求解畸变涡旋光束的相位，校正畸变涡旋光束；步骤3：评价涡旋光的校正效果，对比了拓扑荷数l不同的涡旋光束校正前后的螺旋谱图，分析校正前后的涡旋光的模式串扰。本发明一种基于相位差算法校正涡旋光波前畸变的方法，降低了波前校正技术的实验难度，也对涡旋光束实现全面有效地校正。

技术领域

本发明属于自由空间光通信技术领域，具体涉及一种基于相位差算法校正涡旋光波前畸变的方法。

背景技术

涡旋光束是一种具有独特的螺旋状波前相位分布和携带新的自由度即轨道角动量的新型光束。与平面波和球面波相比，涡旋光束由于中心存在相位奇点，其光强横截面会呈现出一个中心为暗斑的环形。涡旋光束的表达式中带有相位因子exp(ilθ)，光束中的每个光子携带轨道角动量其中l称为拓扑荷数，θ为方位角，理论上涡旋光束的轨道角动量可以取任意的非零整数即无限多维，而且不同阶次的涡旋光束具有正交性，因此将涡旋光束用于光通信技术中，可以较大程度地提高光通信系统的通信容量和频谱效率。

在自由空间光通信的应用中，当涡旋光束在大气信道中传输时，由于太阳照射、大气压变化等因素导致大气折射率随机起伏，大气信道呈现出时变性。当涡旋光在大气信道中传输时，波前受折射率不均匀的影响，导致产生光强闪烁、相位畸变、光束扩展等大气湍流效应。涡旋光束在大气湍流中传输会引起相邻阶次间发生串扰，增大误码率、降低传输效率。因此，作为一种改进，利用自适应光学校正技术补偿恢复畸变的涡旋光束，目前，涡旋光束的自适应光学校正方法主要分为有波前传感校正和无波前传感校正方法。但是由于涡旋光束具有相位奇点，有波前传感校正技术无法直接获取其波前斜率信息，若引入基模高斯光作为信标光进行波前畸变估计来反馈补偿涡旋光束，会使得实验难度增大；无波前校传感校正技术中相位恢复算法等与相位差法相比，收敛性较差，对涡旋光束校正效果并不理想，对涡旋光束无法实现全面有效地校正。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相位差算法校正涡旋光波前畸变的方法解决了目前的波前校正技术会使得实验难度增大，且对涡旋光束无法实现全面有效校正的问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种基于相位差算法校正涡旋光波前畸变的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：采集初始光场和畸变光场的光强信息；

步骤1.1：初始光场，

采集未发生畸变的理想的拉盖尔-高斯光束u_i(x,y)：

涡旋光通信系统传输的输入光场中的拉盖尔-高斯光束在发射点z＝0，且径向指数p＝0的表达式为：

其中，p表示径向指数，l表示拓扑荷数，ω₀表示束腰半径，x表示光束到传输轴的横向距离，y表示光束到传输轴的径向距离，φ表示方向角；

根据公式(1)，通过研究得到了未发生畸变的理想的拉盖尔-高斯光束u_i(x,y)；

步骤1.2：畸变光场，

将得到的未发生畸变的理想的拉盖尔-高斯光束u_i(x,y)根据传输的距离进行衍射传输计算，在接收端用CCD相机测量得到成像系统焦面和离焦面畸变涡旋光束的振幅i₁和i₂，在大气和光学成像系统组成的系统是空间线性不变系统的情形下，两个CCD相机的成像可以表示为：

i_k(x，y)＝u_i(x，y)*h_k(x，y)+n_k(x，y)，k＝1，2 (2)