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)實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)緊湊、同步測量等特點。考慮到液晶空間調(diào)制器（LC-SLM）的相位調(diào)制具有可編程控制的特點，本文提出利用LC-SLM實現(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，使其成為一個離軸菲涅耳波帶片（FZP），然后在其后面放置一個短距焦的聚焦透鏡，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器就能夠探測到透鏡焦點前后對稱離焦面上的光強。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)對該方程進行求解，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態(tài)調(diào)整其參數(shù)，而且能夠采用閉環(huán)迭代的方式進行波前復(fù)原。結(jié)果：建立了一個傳感器數(shù)值仿真模型，其中采用通光直徑為0.01 m、像素數(shù)為256×256的LC-SLM實現(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行復(fù)原?？梢缘贸?，當(dāng)?shù)?15階模式系數(shù)為 1時，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，分別對利用前20階本征函數(shù)和全部40階本征函數(shù)隨機產(chǎn)生的波前相位進行閉環(huán)復(fù)原，當(dāng)復(fù)原矩陣的模式數(shù)量大于或等于待測波前相位的模式數(shù)量時，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)量小于待測波前相位的模式數(shù)量時，會出現(xiàn)模式耦合現(xiàn)象，導(dǎo)致波前復(fù)原精度降低；但是模式耦合對閉環(huán)迭代算法的穩(wěn)定性影響很小。大氣湍流波前擾動復(fù)原的實驗進一步表明模式耦合不會影響閉環(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)原精度和更大的測量范圍。當(dāng)復(fù)原矩陣的模式少于待測相位的模式時，會出現(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)進展，2015，52(8):082301

入選年份：2017

軌道角動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：軌道角動量（OAM）作為一種新的數(shù)據(jù)信息載體，是屬于光的波長、強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，在實驗中進行驗證。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驗驗證兩部分內(nèi)容。（1）通過有限元法對光纖中的矢量本征模式進行模擬，得到了模式的有效折射率和模場分布，由奇數(shù)和偶數(shù)矢量模式的疊加計算出MOF可支持傳輸?shù)腛AM模式。（2）搭建的OAM模式在MOF中傳輸?shù)膶嶒炏到y(tǒng)，該實驗系統(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3個部分。（3）實驗產(chǎn)生部分采用波長為632.8 nm的氦氖激光器入射空間光調(diào)制器（SLM）上分別產(chǎn)生單個線偏振的+1階或-1階OAM模式，再利用一個四分之一波片將線偏振的OAM模式轉(zhuǎn)換為圓偏振模式。（4）實驗傳輸部分，入射進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驗結(jié)果帶來影響。（5）實驗檢測部分是利用SLM加載特殊設(shè)計的光學(xué)旋渦達曼光柵（DOVGs)，將MOF出射后的光束入射在DOVGs上，對在MOF中傳輸1 m后的OAM模式進行解調(diào)，觀察解調(diào)后的實驗現(xiàn)象，驗證MOF可支持OAM模式的傳輸。結(jié)果：在630 nm波長范圍附近對MOF中的傳輸模式進行求解后，得到包括TM、TE和其他混雜模式在內(nèi)的 12個矢量本征模式，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的拓撲荷正負和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OAM模式傳輸。在實驗中利用特殊設(shè)計的 DOVGs對在光纖中傳輸1 m后的OAM1，1和OAM-1，1模式進行解調(diào)，當(dāng)l＝1的OAM模式入射在DOVGs的+1級時，通過光柵衍射后在它對應(yīng)的-1級處會出現(xiàn)一個OAM模式還原點，表現(xiàn)為一個拓撲荷l＝0的高斯亮點。將經(jīng)過MOF傳輸后OAM模式，入射在DOVGs上得到解調(diào)后的OAM模式以及所對應(yīng)的還原點。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，通過實驗進行驗證。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算得到各本征矢量模式間的有效折射率差達到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)_。在實驗上利用特殊設(shè)計的DOVGs對經(jīng)過MOF傳輸?shù)腛AM模式進行驗證，證明這種MOF可以傳輸±1階的OAM模式。

來源出版物：中國激光，2017，44(4):0406002

入選年份：2017