基于液晶空間光調(diào)制器的光柵型波前曲率傳感器

陳波，楊靖，李新陽

摘要：目的：基于散焦光柵的曲率型波前傳感器，具有全光學(xué)實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)緊湊、同步測(cè)量等特點(diǎn)?？紤]到液晶空間調(diào)制器（LC-SLM）的相位調(diào)制具有可編程控制的特點(diǎn)，本文提出利用LC-SLM實(shí)現(xiàn)光柵型波前曲率傳感器的方法，以及基于拉普拉斯算子本征函數(shù)的閉環(huán)式波前復(fù)原方法。方法：給LC-SLM加載一定的控制信號(hào)，使其成為一個(gè)離軸菲涅耳波帶片（FZP），然后在其后面放置一個(gè)短距焦的聚焦透鏡，這樣入射光束依次經(jīng)過LC-SLM和透鏡后，位于透鏡焦平面處的光電探測(cè)器就能夠探測(cè)到透鏡焦點(diǎn)前后對(duì)稱離焦面上的光強(qiáng)。根據(jù)波前曲率傳感器的基本原理，前后離焦面上歸一化的光強(qiáng)差和波前曲率以及波前沿光瞳邊界法向微分之間的關(guān)系是Neumann邊界條件下的泊松方程。利用基于拉普拉斯算子本征函數(shù)對(duì)該方程進(jìn)行求解，即可復(fù)原出入射光的波前信息。得益于LC-SLM的相位調(diào)制可編程特性，基于 LC-SLM 的波前曲率傳感器不僅可以動(dòng)態(tài)調(diào)整其參數(shù)，而且能夠采用閉環(huán)迭代的方式進(jìn)行波前復(fù)原。結(jié)果：建立了一個(gè)傳感器數(shù)值仿真模型，其中采用通光直徑為0.01 m、像素?cái)?shù)為256×256的LC-SLM實(shí)現(xiàn)離軸量為0.008 m、焦距等于3米的FZP，短焦透鏡的焦距為0.1 m。利用40階本征函數(shù)構(gòu)建復(fù)原矩陣，選取其中第15階模式作為入射波前相位進(jìn)行復(fù)原?？梢缘贸?，當(dāng)?shù)?15階模式系數(shù)為 1時(shí)，采用開環(huán)方法（即一次迭代）就能夠?qū)崿F(xiàn)高精度復(fù)原；隨著該模式系數(shù)的增大，即待測(cè)波前相位幅度的增大，開環(huán)復(fù)原的精度顯著降低；而閉環(huán)迭代復(fù)原方法可顯著提高復(fù)原精度。利用前20階本征函數(shù)構(gòu)建復(fù)原矩陣，分別對(duì)利用前20階本征函數(shù)和全部40階本征函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生的波前相位進(jìn)行閉環(huán)復(fù)原，當(dāng)復(fù)原矩陣的模式數(shù)量大于或等于待測(cè)波前相位的模式數(shù)量時(shí)，閉環(huán)復(fù)原方法具有非常高的精度；當(dāng)復(fù)原矩陣的模式數(shù)量小于待測(cè)波前相位的模式數(shù)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)模式耦合現(xiàn)象，導(dǎo)致波前復(fù)原精度降低；但是模式耦合對(duì)閉環(huán)迭代算法的穩(wěn)定性影響很小。大氣湍流波前擾動(dòng)復(fù)原的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明模式耦合不會(huì)影響閉環(huán)波前復(fù)原的穩(wěn)定性。結(jié)論：由于LC-SLM的相位調(diào)制能夠編程控制，基于其實(shí)現(xiàn)的相位型光柵波前曲率傳感器，不僅能夠方便地調(diào)整參數(shù)，而且可以采用閉環(huán)迭代的方式進(jìn)行波前復(fù)原。與開環(huán)復(fù)原方法相比，閉環(huán)迭代方法具有更高的復(fù)原精度和更大的測(cè)量范圍。當(dāng)復(fù)原矩陣的模式少于待測(cè)相位的模式時(shí)，會(huì)出現(xiàn)模式耦合，但是不影響閉環(huán)復(fù)原方法的穩(wěn)定性。

來源出版物：激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2015，52(8):082301

入選年份：2017

軌道角動(dòng)量模式在柚子型微結(jié)構(gòu)光纖中的傳輸

喬文，高社成，雷霆，等

摘要：目的：軌道角動(dòng)量（OAM）作為一種新的數(shù)據(jù)信息載體，是屬于光的波長(zhǎng)、強(qiáng)度和偏振之外的另一種重要的光學(xué)特征，在光學(xué)顯微成像、粒子捕獲和光通信等方面的研究中得到廣泛的關(guān)注。在光通信研究方面，OAM為光束的復(fù)用提供了一個(gè)全新的自由度，并已經(jīng)在自由空間光通信中取得了一些重要進(jìn)展，但OAM在光纖中穩(wěn)定傳輸還有很多技術(shù)瓶頸需要突破。本文提出了一種能夠傳輸OAM模式的柚子型微結(jié)構(gòu)光纖（MOF），并結(jié)合理論分析，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。方法：在OAM光纖通信系統(tǒng)中，支持OAM模式傳輸?shù)墓饫w是一種關(guān)鍵器件。為了支持OAM模式在光纖中穩(wěn)定傳輸，OAM光纖必須具有高的有效折射率差，才能避免光纖中各矢量本征模式間的相互耦合和簡(jiǎn)并。我們提出的這種 MOF纖芯周圍存在一層直徑為3 μm的柚子型空氣孔，由于空氣孔與光纖纖芯之間存較大的折射率差，傳輸?shù)墓獗痪窒拊诶w芯中，從而形成穩(wěn)定的傳輸模式。本文研究由理論模式分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩部分內(nèi)容。（1）通過有限元法對(duì)光纖中的矢量本征模式進(jìn)行模擬，得到了模式的有效折射率和模場(chǎng)分布，由奇數(shù)和偶數(shù)矢量模式的疊加計(jì)算出MOF可支持傳輸?shù)腛AM模式。（2）搭建的OAM模式在MOF中傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為OAM模式的產(chǎn)生，OAM模式在MOF中的傳輸和OAM模式的檢測(cè)3個(gè)部分。（3）實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生部分采用波長(zhǎng)為632.8 nm的氦氖激光器入射空間光調(diào)制器（SLM）上分別產(chǎn)生單個(gè)線偏振的+1階或-1階OAM模式，再利用一個(gè)四分之一波片將線偏振的OAM模式轉(zhuǎn)換為圓偏振模式。（4）實(shí)驗(yàn)傳輸部分，入射進(jìn)MOF的OAM模式是圓偏振態(tài)，MOF需自然伸直，可避免過度彎曲給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來影響。（5）實(shí)驗(yàn)檢測(cè)部分是利用SLM加載特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)旋渦達(dá)曼光柵（DOVGs)，將MOF出射后的光束入射在DOVGs上，對(duì)在MOF中傳輸1 m后的OAM模式進(jìn)行解調(diào)，觀察解調(diào)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，驗(yàn)證MOF可支持OAM模式的傳輸。結(jié)果：在630 nm波長(zhǎng)范圍附近對(duì)MOF中的傳輸模式進(jìn)行求解后，得到包括TM、TE和其他混雜模式在內(nèi)的 12個(gè)矢量本征模式，發(fā)現(xiàn)光纖中的各矢量本征模式間存在10-2以上的高有效折射率差，遠(yuǎn)大于引起光纖中模式間串?dāng)_的有效折射率差閾值 1.8×10-4，綜合OAM的拓?fù)浜烧?fù)和OAM左右旋偏振態(tài)性質(zhì)，得出在理論上MOF最多可以支持10個(gè)OAM模式傳輸。在實(shí)驗(yàn)中利用特殊設(shè)計(jì)的 DOVGs對(duì)在光纖中傳輸1 m后的OAM1，1和OAM-1，1模式進(jìn)行解調(diào)，當(dāng)l＝1的OAM模式入射在DOVGs的+1級(jí)時(shí)，通過光柵衍射后在它對(duì)應(yīng)的-1級(jí)處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)OAM模式還原點(diǎn)，表現(xiàn)為一個(gè)拓?fù)浜蒷＝0的高斯亮點(diǎn)。將經(jīng)過MOF傳輸后OAM模式，入射在DOVGs上得到解調(diào)后的OAM模式以及所對(duì)應(yīng)的還原點(diǎn)。結(jié)論：本文提出并研究了一種MOF的OAM模式傳輸特性，結(jié)合理論分析，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。MOF纖芯周圍柚子型空氣孔的存在，導(dǎo)致光纖中各矢量本征模式間有很大的有效折射率差，通過有限元法模擬計(jì)算得到各本征矢量模式間的有效折射率差達(dá)到10-2以上，這種高的有效折射率差可以有效抑制光纖中模式串?dāng)_。在實(shí)驗(yàn)上利用特殊設(shè)計(jì)的DOVGs對(duì)經(jīng)過MOF傳輸?shù)腛AM模式進(jìn)行驗(yàn)證，證明這種MOF可以傳輸±1階的OAM模式。

來源出版物：中國(guó)激光，2017，44(4):0406002

入選年份：2017