[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于相位差算法校正涡旋光波前畸变的方法，其特征在于，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)其中，k＝1表示焦面成像，k＝2表示离焦面成像；u_i(x,y)表示理想涡旋光束；i_k(x,y)表示畸变涡旋光束的强度分布；n_k(x,y)表示噪声；h_k(x,y)表示成像系统的点扩散函数；根据公式(2)得到了畸变后焦面和离焦面的涡旋光束。步骤2：进行畸变涡旋光束的自适应相位校正步骤2.1：构造目标函数，假设焦面和离焦面两个不同光学通道上的点扩散函数表示为：h_k(x，y)＝|IFT{A(x，y)exp[jφ_k(x，y)+Δφ_k(x，y)]}|²，k＝1，2  (3)其中φ_k(x，y)表示第k个光学通道上的波前分布；A(x，y)表示孔径函数，IFT{}表示逆傅里叶变换；Δφ_k(x，y)表示离焦相位，其公式为：其中，λ表示光学波长，f表示成像系统焦距，D表示成像系统口径，Δz表示表示离焦光学通道光程差。将步骤1.2中的(2)式和步骤2.1中的(3)式在频域展开，进行傅里叶变换得到：I_k(u，v)＝U_i(u，v)H_k(u，v)+N_k(u，v)，k＝1，2  (5)其中，I_k(u,v)为畸变涡旋光束图像的空间频谱，U_i(u,v)为理想涡旋光束的空间频谱，N_k(u，v)为噪声的空间频谱，H_k(u,v)为成像系统的光学传递函数，也就是点扩散函数的傅里叶变换，本发明采用两通道成像，结合(5)式构造的目标函数L_M可表示为：L_M＝∑|I₁H₂‑I₂H₁|²/(|H₁|²+|H₂|²)  (6)根据式(6)得到求解畸变涡旋光束相位信息的目标函数；步骤2.2：求解畸变涡旋光束的相位，通过最优化算法寻找使目标函数L_M极小化的解，即可得到畸变涡旋光束的波前分布φ(x，y)，该极小值点即为畸变涡旋光束的相位φ_i，可表示为：其中，表示在已知参数{i_k(x,y)}的条件下求使得L_M达到最小值的解φ_i；步骤2.3：校正畸变涡旋光束，根据步骤2.2中公式(7)得到的畸变涡旋光束的相位φ_i与设定的初始相位φ₀相减可得到大气湍流畸变相位φ＝φ_i‑φ₀，对大气湍流畸变相位φ取共轭φ^*获得校正补偿相位屏，计算机将φ^*加载到空间光调制器进行相位补偿，用CCD相机测得校正后的涡旋光束。步骤3：评价涡旋光的校正效果对比拓扑荷数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束的模式串扰。