一种利用扭曲扰动产生抗湍流扰动的多模高阶涡旋光的方法

1.本发明公开了一种利用扭曲扰动产生抗湍流扰动的多模高阶涡旋光的方法，属于光信息调控领域。


背景技术：

2.涡旋光是一种相位波前沿轴向涡旋旋转的光束，它的特点是光线按螺旋形一样绕着其行进轴扭曲，由于扭曲，轴上的光波本身相互抵消，当它投射到平面时，看起来像一个光环，中心有一个黑洞，所以涡旋光又被称为螺旋光束或光子涡旋。涡旋光可以利用其轨道角动量可以对信息进行编码与传输，还可以有效的提高通信的信道容量，并应用于光学捕获、量子通信等领域。其中，自由空间的涡旋光通信具有极大应用前景。
3.自由空间光通信的大范围推广，要求涡旋光具有抗湍流能力。研究表明，多模高阶涡旋光比单模高阶涡旋光的抗湍流能力强，而非相干叠加的高阶涡旋光比相干叠加的高阶涡旋光抗湍流能力强。因此，高效可控地产生非相干叠加的多模高阶涡旋光，是实现自由空间光通信的迫切要求之一。
4.扭曲相位是部分相干光束所特有的一种相位，它开辟了部分相干光相位调控研究的新方向。在扭曲相位的作用下，部分相干光束呈现出新的光学统计特性并在光束整形、微粒捕获、光学成像、自由空间光通信等领域有着潜在的应用价值。扭曲相位可以产生经典纠缠态，用于空间光通信在大气湍流中传输中的模式识别的提升。具有扭曲相位的光束抗湍流能力强，光信号稳定，因此被应用于湍流大气环境的光信息传递和光学成像。
5.虽然目前已经有许多产生抗湍流光束的方法，但这些方法主要针对相干叠加的方式来设计，其产生的光场相干性强，容易产生散斑，从而破坏光场的空间信息结构。采用非相干叠加的方式来调控光场，可以避免以上问题，但是高效可控地非相干叠加技术在多模高阶涡旋光合成中的应用仍然是目前的瓶颈问题，这严重影响了自由空间光通信领域的发展。


技术实现要素：

6.本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种利用扭曲扰动产生抗湍流扰动的多模高阶涡旋光的方法。本发明利用扭曲扰动系统产生非相干叠加的多模高阶涡旋光，该光束具有抗湍流扰动的能力。本发明所利用的光学器件少且布局简单。
7.实现本发明目的的技术方案是提供一种利用扭曲扰动产生抗湍流扰动的多模高阶涡旋光的方法，包括以下步骤：
8.(1)产生单模涡旋光束，其波函数可以表示为u(x,y,l)，其中l为拓扑荷数；x,y为光场中任意空间点的坐标；利用漂移扰动，对该单模涡旋光束引入扭曲扰动，扰动表达式为：
9.10.其中μ0为扭曲因子；α是一个常数；(aj,bi)为扰动中心坐标；下标j为扰动中心的编号；
11.(2)构造大量具有不同扰动中心的离轴涡旋子光束u(x-ai,y-bi,l)；控制该子光束的附加相位，使它们通过非相干叠加形成扭曲扰动的单模高阶涡旋光场ek(x,y,l)，其瞬时表达式为：
[0012][0013]
其中n为子光束阵列的数量；φj为附加相位，其值在0～2π之间随机分布；下标k为该时刻编号；
[0014]
(3)非相干叠加用若干个具有扭曲扰动的单模高阶涡旋光场，形成多模高阶涡旋光光场ek(x,y)，其瞬时表达式为：
[0015]ek
(x，y)＝ek(x，y，l1) ek(x，y，l2)
…
ek(x，y，ln)
[0016]
其中l1,l2……
ln为不同的拓扑荷数；
[0017]
(4)将多个瞬时场ek(x,y)在时间轴上进行非相干叠加，得到具有抗湍流扰动的多模高阶涡旋光：e(x,y)＝∑kexp(iθk)ek(x,y)，其中θk是随机相位。
[0018]
由于上述技术方案的运用，本发明与现有的技术相比具有以下优点：
[0019]
1、本发明利用了高阶模式的涡旋光，比低阶模式所传输的信息量大。
[0020]
2、本发明利用多模叠加模式，可调控程度大，有利于控制所需要的光。
[0021]
3、非相干叠加的多模高阶涡旋光的抗湍流能力比普通的涡旋光要强，加载了扭曲相位后该光束的抗湍流能力进一步提高，可以达到更好的抗湍流效果，并且有低闪烁性。
[0022]
4、本发明所采用的装置光路结构简单，易于调整，制造成本低，容易实现，在光通信等领域具有应用价值。
[0023]
5、不需要借助其他特殊的光学元件，装置稳定性好。
附图说明
[0024]
图1是本发明实施例提供的一种利用扭曲扰动产生抗湍流扰动的多模高阶涡旋光的方法的结构示意图；
[0025]
图中，1：激光器；2：空间光调制器；3：计算机；4：功率计。
具体实施方式
[0026]
下面结合实施例对本发明作进一步详尽说明，以下实施例是对本发明的解释，也是本发明较好的应用形式，但本发明并不局限于以下实施例。
[0027]
附图1所示，它是本实施例提供的一种利用扭曲扰动产生抗湍流扰动的多模高阶涡旋光的方法结构示意图，它包括激光器1、空间光调制器2、计算机3、功率计4。结合附图1，本实施例的工作步骤如下：
[0028]
1、打开激光器1，激光进入空间光调制器2上，用计算机3对空间光调制器2进行调制：
[0029]
(1)产生单模涡旋光束，其波函数可以表示为u(x,y,l)，其中l为拓扑荷数；x,y为光场中任意空间点的坐标；利用漂移扰动，对该单模涡旋光束引入扭曲扰动，扰动表达式为：
[0030][0031]
其中μ0为扭曲因子；α是一个常数；(aj,bj)为扰动中心坐标；下标j为扰动中心的编号；
[0032]
(2)构造大量具有不同扰动中心的离轴单模涡旋光束u(x-ai,y-bi,l)；控制该子光束的附加相位，使它们通过非相干叠加形成扭曲扰动的单模高阶涡旋光场ek(x,y,l)，其瞬时表达式为：
[0033][0034]
其中n为子光束阵列的数量；φj为附加相位，其值在0～2π之间随机分布；下标k为该时刻编号；
[0035]
(3)非相干叠加若干个具有扭曲扰动的单模高阶涡旋光场，形成多模高阶涡旋光光场ek(x,y)，其瞬时表达式为：
[0036]ek
(xly)＝ek(x，y，l1) ek(xly，l2)
…
ek(x，y，ln)
[0037]
其中l1,l2……
ln为不同的拓扑荷数；
[0038]
(4)将多个瞬时场ek(x,y)在时间轴上进行非相干叠加，得到具有抗湍流扰动的多模高阶涡旋光：e(x,y)＝∑kexp(iθk)ek(x,y)，其中θk是随机相位。
[0039]
2、从空间光调制器出射的光即为具有抗湍流效果的多模高阶涡旋光e(x,y)，该涡旋光具有较好的抗湍流能力；让该涡旋光经过湍流系统并用功率计4测量其闪烁指数，检验其抗湍流性能。


技术特征：
1.一种利用扭曲扰动产生抗湍流扰动的多模高阶涡旋光的方法，其特征包括以下步骤：(a)产生单模涡旋光束，其波函数可以表示为u(x，y，l)，其中l为拓扑荷数；x，y为光场中任意空间点的坐标；利用漂移扰动，对该单模涡旋光束引入扭曲扰动，扰动表达式为：其中μ0为扭曲因子；α是一个常数；(a
j
，b
j
)为扰动中心坐标；下标j为扰动中心的编号；(b)构造大量具有不同扰动中心的离轴单模涡旋光束u(x-a
i
，y-b
i
，l)；控制该子光束的附加相位，使它们通过非相干叠加形成扭曲扰动的单模高阶涡旋光场e
k
(x，y，l)，其瞬时表达式为：其中n为子光束阵列的数量；φ
j
为附加相位，其值在0～2π之间随机分布；下标k为该时刻编号；(c)非相干叠加若干个具有扭曲扰动的单模高阶涡旋光场，形成多模高阶涡旋光光场e
k
(x，y)，其瞬时表达式为：e
k
(x，y)＝e
k
(x，y，l1) e
k
(x，y，l2)
…
e
k
(x，y，l
n
)其中l1，l2……
l
n
为不同的拓扑荷数；(d)将多个瞬时场e
k
(x，y)在时间轴上进行非相干叠加，得到具有抗湍流扰动的多模高阶涡旋光：e(x，y)＝∑
k
exp(iθ
k
)e
k
(x，y)，其中θ
k
是随机相位。

技术总结
本发明公开了一种利用扭曲扰动产生抗湍流扰动的多模高阶涡旋光的方法。该方法利用计算机对激光进行调制，对单模涡旋光引入扭曲扰动，再构造大量具有不同扰动中心的离轴单模涡旋光束，使它们通过非相干叠加形成扭曲扰动的单模高阶涡旋光场，最后非相干叠加若干个具有扭曲扰动的单模高阶涡旋光场，形成多模高阶涡旋光场，将多个瞬时场在时间轴上进行非相干叠加，得到具有抗湍流扰动的多模高阶涡旋光。该方法装置简单，易于调制，在光通信等领域具有应用价值。应用价值。


技术研发人员：陈君 戚国震
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2022.03.29
技术公布日：2022/6/28