北理工在渦旋光束畸變的自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)研究中取得進展
發(fā)布日期：2017-11-30 供稿：光電學(xué)院
編輯：盛筠 審核：郝群 閱讀次數(shù)：在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）“基于光子軌道角動量的新型光通信體制研究”的資助下，北京理工大學(xué)光電學(xué)院高春清教授課題組在渦旋光束畸變的自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)研究中取得進展，在光學(xué)領(lǐng)域Top期刊Photonics Research（SCI一區(qū)，Top期刊）上先后發(fā)表兩篇文章： “Influences of atmospheric turbulence effects on the orbital angular momentum spectra of vortex beams”和“Non-probe compensation of optical vortices carrying orbital angular momentum”，其中第一篇論文是編輯特邀稿件，報道了渦旋光束的軌道角動量譜受大氣湍流的影響情況，第二篇論文報道了渦旋光束畸變的非探針自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)。這兩項工作中，博士研究生付時堯為第一作者，高春清教授為通訊作者。
渦旋光束是指具有螺旋相位分布的光束，是近年來光學(xué)領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點之一。渦旋光束攜帶有軌道角動量（orbital angular momentum, OAM），其本征值可取任意整數(shù)，不同OAM態(tài)可構(gòu)成一無窮維希爾伯特空間。將光的OAM引入光通信系統(tǒng)，可為光通信系統(tǒng)提供一種新的維度，極大提高光通信系統(tǒng)的信息傳輸能力。但是，當(dāng)攜帶有OAM的渦旋光束經(jīng)過大氣湍流等不均勻介質(zhì)傳輸時，會發(fā)生波前畸變，產(chǎn)生OAM譜展寬效應(yīng)，進而使得系統(tǒng)的誤碼率顯著上升，降低了通信質(zhì)量。為了解決這一問題，該課題組在建立的大氣湍流理論模型基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的分析了拉蓋爾高斯光束和貝塞爾高斯光束這兩種最常見的渦旋光束，經(jīng)不同強度的湍流后的OAM譜展寬效應(yīng)，受期刊編輯的邀請，研究結(jié)果以 “Influences of atmospheric turbulence effects on the orbital angular momentum spectra of vortex beams”為題，發(fā)表在Photonics Research [Vol. 4, Issue 5, pp. B1-B4 (2016)]上。
圖1 不同湍流強度下的OAM譜展寬效應(yīng)
該課題組還提出了一種無波前探測、無探針光束的渦旋光束自適應(yīng)畸變補償方法。他們采用面陣探測器直接采集經(jīng)湍流傳輸后的畸變渦旋光場，通過設(shè)計的迭代算法由畸變的強度分布直接算出相位補償屏，并將補償相位作用于畸變渦旋光束，實現(xiàn)了渦旋光束的畸變補償。實驗結(jié)果表明，經(jīng)補償后，渦旋光束的OAM模式純度有了顯著提升，OAM譜展寬得到有效抑制。該結(jié)果以“Non-probe compensation of optical vortices carrying orbital angular momentum”為題，發(fā)表在Photonics Research [Vol. 5, Issue 3, pp. 251-255 (2017)]上。
圖2 渦旋光束的無波前探測無探針自適應(yīng)畸變補償原理
圖3 畸變補償前后不同角量子數(shù)的渦旋光束的光場分布情況
該課題組自2014年以來，在973課題的資助下，開展包括新型結(jié)構(gòu)光場的生成、探測、自適應(yīng)光學(xué)校正等內(nèi)容的研究，至今已在SCI收錄高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇，含光學(xué)類頂級期刊Photonics Research、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等12篇，獲授權(quán)發(fā)明專利4項。該課題組將繼續(xù)致力于該方向的研究，在新型結(jié)構(gòu)光場領(lǐng)域不斷追求與探索。
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