CN106405855A - 具有轨道角动量的涡旋光束实时对准系统方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋光束实时对准系统和方法。不同于传统的普遍采用高斯光束作为参照光束进行对准，该系统直接探测带有OAM的涡旋光束并进行实时对准。首先将涡旋光束发射器产生的涡旋光束，经过信道传输后，被接收装置接收，如果涡旋光束接收时发生光束偏移(横向位移和角向倾斜)，则接收后的OAM态会发生弥散。依据轨道角动量谱的分布特点及弥散程度与偏移类型的关系，再结合驱动控制器特有的驱动算法，通过控制伺服系统对光束进行实时对准。该涡旋光束实时对准系统直接以涡旋光束为参照进行对准，更容易满足OAM信息传输系统的要求，并且能够进行实时调整，结构清晰，有很大的应用价值。

Description

具有轨道角动量的涡旋光束实时对准系统方法

技术领域

本发明涉及通信技术，特别涉及一种具有轨道角动量态的涡旋光束实时对准系统方法。

背景技术

涡旋光束是具有螺旋型波前和相位奇点的一种特殊光场，相位奇点是指光场中那些相位不确定的地方，由于自身的干涉相消，光束中心强度为零，是一种暗中空的光束。光学涡旋场的暗中空特性以及轨道角动量与物质的相互作用，使其在光学微操纵、原子光学、生物医学、非线性光学、光学信息传输等领域有着广泛的应用。涡旋光束具有除光强、频率、偏振外的一个新的自由度，即轨道角动量。光束轨道角动量数理论上是无限多的且不同的轨道角动量态之间具有正交性，则将轨道角动量这一全新电磁波资源用于光通信的复用传输可以大幅提高光通信容量。为此，用于光通信的涡旋光束的产生和探测技术越来越受到人们的关注。

涡旋光束在信道中传输时由于收发装置之间的不对准，会造成接收端光束与探测器之间出现对准偏差，产生横向位移或角向倾斜，致使轨道角动量态弥散，使得发射态在接收端不能被成功探测，严重影响了通信系统的性能。所以研究涡旋光束实时对准是很必要的，具有很大的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有轨道角动量的涡旋光束实时对 准系统，该系统直接对带有轨道角动量的涡旋光束进行探测并实时对准,结构清晰，有很大的应用价值。

为了达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋光束实时对准系统方法，用于直接对带有轨道角动量的涡旋光束进行探测并实时对准，其特征在于，该系统包括：OAM谱探测装置、涡旋光束对准装置：

所述OAM谱探测装置由可调谐空间光调制器、会聚透镜、电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)和计算机构成，用于分析接收光束中不同OAM态所占比例，计算OAM谱；

所述涡旋光束对准装置是由驱动控制器和对准伺服系统构成，用于对接收装置进行对准。

根据权利要求1所述的OAM涡旋光束实时对准系统，其特征在于，所述OAM谱探测装置包括：

可调谐空间光调制器，会聚透镜，CCD，计算机。

可调谐空间光调制器是本系统的核心器件，其可通过计算机加载不同的螺旋相位信息，主要完成涡旋光束OAM态识别的任务。会聚透镜将通过空间光调制器的光束会聚投射到CCD表面。CCD用来对入射光强进行探测，把光学影像转化为数字图像信号，传递给计算机，计算机计算数字图像信号的能量总和，得到OAM谱、OAM态平均值和弥散程度等，进而得到驱动控制器所需的对准数据，传递给驱动控制器。

根据权利要求1所述的OAM涡旋光束实时对准系统，其特征在于，所述涡旋光束对准装置包括：

驱动控制器：用于接收计算机传来的对准数据，并结合校准驱动算法，生成对准指令用来驱动伺服系统。

伺服系统：根据驱动控制器传来的对准指令，控制接收装置的移动来进行光束的实时对准。

一种OAM涡旋光束实时对准系统，其特征在于，该系统包括：

A.涡旋光束经过信道传输后，进入到涡旋光束探测装置，被可调谐空间光调制器去涡旋，经过会聚透镜会聚，将接收到的光束呈现在CCD上，CCD将光强信息转化为数字图像信号，传给计算机，计算机通过对CCD的图像进行处理，得到对准所需的OAM谱及弥散程度，依据OAM谱的分布特点及弥散程度与偏移类型(横向位移和角向倾斜)的关系，制定对准策略；

B.驱动控制器接收来自计算机的对准数据，结合特有的驱动算法，生成对准指令用来驱动伺服系统对光束进行实时对准。

根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤A所述OAM谱探测装置的实现方案包括：

A1、产生的涡旋光束经过信道传输，在接收端经过可调谐的空间光调制器处理，将光束中各个OAM态分别转换为相应的高斯光束；

A2、转换而来的高斯光束经过会聚透镜会聚照射在CCD上进行探测，CCD将光强信息转化为数字图像信号，传递给计算机，计算机对CCD传来的OAM谱进行处理，得到对准所需轨道OAM谱的 平均值和弥散程度其中m是OAM的拓扑荷数，P_m表示偏移光束中拓扑荷数为m的OAM态的功率占总功率的比值，P_m～m即为OAM谱。当光束对准时V＝0，当光束发生偏移时V＞0。

根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤B所述涡旋光束对准装置的实现方案包括：

B1、首先判断OAM平均值是否等于发射态拓扑荷数，如果是，那么说明不存在横向位移。如果不是，那说明光束一定发生了横向位移，需要先对横向位置进行调整，一直调到和发射态拓扑荷数相等为止。再看弥散程度V是否接近零，如果是那说明光束未发生角向倾斜或角向倾斜很小；如果弥散程度值V比较大，那说明光束发生了角向倾斜，需要对接收装置进行角向调整。

B2、在对横向位移进行调整时，调整坐标轴为x和y轴。以x轴调整为例来说明驱动控制器控制伺服系统校准算法的实现原理，y轴调整与此相似，这里就不再赘述。设某次调整前的OAM谱的平均值为调整量为Δx，调整后计算所得的螺旋谱平均值为如果 说明调整方向正确，继续向之前的调整方向进行调整，如果说明调整方向不正确，则需要把调整位置复位，之后向相反方向调整，直到计算所得的螺旋谱平均值达到最大值，则x轴方向调整完毕。

B3、在对角向进行调整时，调整坐标轴为γ和η轴，驱动控制器控制伺服系统校准算法以γ轴调整为例来说明，η轴调整与此相似， 这里就不再赘述。设某次调整前的弥散程度为V_i，调整量为Δγ，调整后计算所得的弥散程度为V_i+1，比较调整前后的弥散程度，如果V_i+1＜V_i，说明调整方向正确，继续向之前的调整方向进行调整，如果V_i+1＞V_i，说明调整方向不正确，则需要把调整位置复位，之后向相反方向调整，直到计算所得的弥散程度达到最小值，则γ轴方向调整完毕。

由上述的技术方案可见，本发明提供一种具有轨道角动量的涡旋光束实时对准系统，该系统直接以涡旋光束为参照进行对准，更能满足实际信息传输系统的要求，提高了精确性，并且能够进行实时的调整，很大程度上抑制了信道不稳定性造成的光束抖动，结构清晰，有很大的应用价值。

附图说明

图1为本发明一种具有轨道角动量的涡旋光束实时对准系统的结构示意图。

图2为本发明一种具有轨道角动量的涡旋光束实时对准系统的流程图。

具体实施方法

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种具有轨道角动量态的涡旋光束实时对准系统和方法，涡旋光束发射装置产生系统所需涡旋光束，并发射进信道进行传输；涡旋光束经过信道传输后，进入到OAM探测装置，被可调 谐空间光调制器接收，经过会聚透镜会聚，将接收到的光束光强呈现在CCD上，CCD通过对图像进行处理，将图像信息转换为数字信号，发送给计算机。最后到达OAM光束对准装置，通过计算机对CCD传来的图像信息进行计算，得到对准所需的轨道角动量谱及弥散程度，依据轨道角动量谱的分布特点及弥散程度与偏移类型的关系，再结合驱动控制器特有的驱动算法，通过控制伺服系统对光束进行实时对准。

图1为本发明基于一种具有轨道角动量态的涡旋光束实时对准系统的结构示意图。现结合图1，对本发明具有轨道角动量态的涡旋光束实时对准系统进行说明，具体如下：

本发明一种轨道角动量态可调谐的涡旋光束产生系统包括：OAM探测装置10、OAM对准装置11。

OAM探测装置10用于分析接收到的光束的OAM态成分，通过CCD将接收到的光强信息转换为数字图像信号，传递给计算机，实现涡旋光束的探测；

OAM对准装置11通过计算机对CCD上探测到的数字图像信息进行计算，得到对准所需的轨道角动量谱及弥散程度，依据轨道角动量谱的分布特点及弥散程度与偏移类型的关系，制定对准策略，再结合驱动控制器特有的驱动算法，对光束进行实时对准。

其中OAM探测装置10包括可调谐空间光调制器100，会聚透镜101，CCD102，计算机103。

可调谐空间光调制器100，将接收到的涡旋光束的不同OAM态 转换为相应的高斯光束，用于识别OAM成分。

会聚透镜101用于转换而来的高斯光束经过会聚透镜会聚照射在CCD上。

CCD102用于对接收到的光束进行成像，并对光强进行处理，将光强信息转换为相应的数字图像信号。

计算机103用于对CCD传来的图像信息进行处理，得到对准所需的轨道角动量谱及弥散程度，依据轨道角动量谱的分布特点及弥散程度与偏移类型的关系，得到对准策略。

OAM对准装置11包括驱动控制器110，对准伺服系统111。

驱动控制器110，通过特有的驱动算法，控制伺服系统对光束进行实时对准；

对准伺服系统111，用于对光束和接收装置进行对准调整。

图2为本发明具有轨道角动量的涡旋光束实时对准系统方法的流程图。现结合图2，对本发明轨道角动量的涡旋光束实时对准系统方法进程进行说明，具体如下：

步骤201：涡旋光束发射装置产生系统所需的涡旋光束，并发射进信道进行传输；

步骤202：经过信道传输的涡旋光束在接收端被探测，接收装置中的可调谐空间光调制器通过为接收到的光束附加与各接收态相反的OAM态来去涡旋，将接收光束中所需的OAM态以光斑的形式呈现在CCD上，，CCD通过对光强进行处理，将光强信息转化为数字图像信号，传递给计算机；

步骤203：通过计算机对数字图像信息进行处理，得到OAM谱和弥散程度。依据轨道角动量谱的分布特点及弥散程度与偏移类型的关系，得到偏移调整策略；

在该步骤中，调整策略的方法包括：

2031:计算机对CCD传来的轨道角动量谱进行处理，得到对准所需轨道角动量谱的平均值和弥散程度V。

2032:首先判断轨道角动量平均值是否等于发射态拓扑荷数，如果是，那么说明不存在横向位移。如果不是，那说明光束一定发生了横向位移，需要先对横向位置进行调整，一直调到相等为止。再看弥散程度是否接近零，如果是那说明光束未发生角向倾斜或角向倾斜很小；如果弥散程度值比较大，那说明光束发生了角向倾斜，需要对角向进行调整。

步骤204：结合驱动控制器特有的驱动算法，通过控制伺服系统调整接收装置，对光束进行对准。

在该步骤中，驱动算法包括：

2041：在对横向位移进行调整时，调整坐标轴为x和y轴。以x轴调整为例来说明驱动控制器控制伺服系统校准算法的实现原理，y轴调整与此相似，这里就不再赘述。设某次调整前的OAM谱的平均值为调整量为Δx，调整后计算所得的螺旋谱平均值为如果 说明调整方向正确，继续向之前的调整方向进行调整，如果说明调整方向不正确，则需要把调整位置复位，之后向相反方向调整，直到计算所得的螺旋谱平均值达到最大 值，则x轴方向调整完毕。

2042：在对角向进行调整时，调整坐标轴为γ和η轴，驱动控制器控制伺服系统校准算法以γ轴调整为例来说明，η轴调整与此相似，这里就不再赘述。设某次调整前的弥散程度为V_i，调整量为Δγ，调整后计算所得的弥散程度为V_i+1，比较调整前后的弥散程度，如果V_i+1＜V_i，说明调整方向正确，继续向之前的调整方向进行调整，如果V_i+1＞V_i，说明调整方向不正确，则需要把调整位置复位，之后向相反方向调整，直到计算所得的弥散程度达到最小值，则γ轴方向调整完毕。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋光束实时对准系统方法，用于直接对带有轨道角动量的涡旋光束进行探测并实时对准，其特征在于，该系统包括：OAM谱探测装置、涡旋光束对准装置：

所述OAM谱探测装置由可调谐空间光调制器、会聚透镜、电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)和计算机构成，用于分析接收光束中不同OAM态所占比例，计算OAM谱；

所述涡旋光束对准装置是由驱动控制器和对准伺服系统构成，用于对接收装置进行对准。

2.根据权利要求1所述的OAM涡旋光束实时对准系统，其特征在于，所述OAM谱探测装置包括：

可调谐空间光调制器，会聚透镜，CCD，计算机。

可调谐空间光调制器是本系统的核心器件，其可通过计算机加载不同的螺旋相位信息，主要完成涡旋光束OAM态识别的任务。会聚透镜将通过空间光调制器的光束会聚投射到CCD表面。CCD用来对入射光强进行探测，把光学影像转化为数字图像信号，传递给计算机，计算机计算数字图像信号的能量总和，得到OAM谱、OAM态平均值和弥散程度等，进而得到驱动控制器所需的对准数据，传递给驱动控制器。

3.根据权利要求1所述的OAM涡旋光束实时对准系统，其特征在于，所述涡旋光束对准装置包括：

驱动控制器：用于接收计算机传来的对准数据，并结合校准驱动算法，生成对准指令用来驱动伺服系统。

伺服系统：根据驱动控制器传来的对准指令，控制接收装置的移动来进行光束的实时对准。

4.一种OAM涡旋光束实时对准系统，其特征在于，该系统包括：

A.涡旋光束经过信道传输后，进入到涡旋光束探测装置，被可调谐空间光调制器去涡旋，经过会聚透镜会聚，将接收到的光束呈现在CCD上，CCD将光强信息转化为数字图像信号，传给计算机，计算机通过对CCD的图像进行处理，得到对准所需的OAM谱及弥散程度，依据OAM谱的分布特点及弥散程度与偏移类型(横向位移和角向倾斜)的关系，制定对准策略；

B.驱动控制器接收来自计算机的对准数据，结合特有的驱动算法，生成对准指令用来驱动伺服系统对光束进行实时对准。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤A所述OAM谱探测装置的实现方案包括：

A1、产生的涡旋光束经过信道传输，在接收端经过可调谐的空间光调制器处理，将光束中各个OAM态分别转换为相应的高斯光束；

A2、转换而来的高斯光束经过会聚透镜会聚照射在CCD上进行探测，CCD将光强信息转化为数字图像信号，传递给计算机，计算机对CCD传来的OAM谱进行处理，得到对准所需轨道OAM谱的平均值和弥散程度其中m是OAM的拓扑荷数，P_m表示偏移光束中拓扑荷数为m的OAM态的功率占总功率的比值，P_m～m即为OAM谱。当光束对准时V＝0，当光束发生偏移时V＞0。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤B所述涡旋光束对准装置的实现方案包括：

B1、首先判断OAM平均值是否等于发射态拓扑荷数，如果是，那么说明不存在横向位移。如果不是，那说明光束一定发生了横向位移，需要先对横向位置进行调整，一直调到和发射态拓扑荷数相等为止。再看弥散程度V是否接近零，如果是那说明光束未发生角向倾斜或角向倾斜很小；如果弥散程度值V比较大，那说明光束发生了角向倾斜，需要对接收装置进行角向调整。

B2、在对横向位移进行调整时，调整坐标轴为x和y轴。以x轴调整为例来说明驱动控制器控制伺服系统校准算法的实现原理，y轴调整与此相似，这里就不再赘述。设某次调整前的OAM谱的平均值为调整量为Δx，调整后计算所得的螺旋谱平均值为如果说明调整方向正确，继续向之前的调整方向进行调整，如果说明调整方向不正确，则需要把调整位置复位，之后向相反方向调整，直到计算所得的螺旋谱平均值达到最大值，则x轴方向调整完毕。

B3、在对角向进行调整时，调整坐标轴为γ和η轴，驱动控制器控制伺服系统校准算法以γ轴调整为例来说明，η轴调整与此相似，这里就不再赘述。设某次调整前的弥散程度为V_i，调整量为Δγ，调整后计算所得的弥散程度为V_i+1，比较调整前后的弥散程度，如果V_i+1＜V_i，说明调整方向正确，继续向之前的调整方向进行调整，如果V_i+1＞V_i，说明调整方向不正确，则需要把调整位置复位，之后向相反方向调整，直到计算所得的弥散程度达到最小值，则γ轴方向调整完毕。