CN112596252B - 一种无机械结构的光束漂移补偿装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无机械结构的光束漂移补偿装置及其实现方法，该方法利用探针结构光感知、可编程相位全息图、以及波长相关、偏振相关的液晶光调制，实现光束漂移补偿。该装置包括二向色镜、合束器、空间光调制器、CCD相机、计算机等。其中合束器/二向色镜用于将信号光与信标光共轴合束，第一空间光调制器用于仅调制信标光生成花瓣状沿角向分布的探针结构光，并由CCD相机记录，实现漂移量矢量感知并发送至计算机，由计算机同步控制第一空间光调制器和第二空间光调制器相位全息图中心相对位置和闪耀光栅周期，实现光束漂移补偿。本发明无需机械位移驱动装置，大大提高了补偿精度、响应速度和寿命，是自由空间光通信光束漂移补偿的可靠方案。

Description

一种无机械结构的光束漂移补偿装置及其实现方法

技术领域

本发明属于光通信和大气光学领域，特别是涉及一种无机械结构的光束漂移补偿装置及其实现方法。

背景技术

大气湍流会对信道传输的光束造成衰减(散射、吸收、空间衰减等)和折射率扰动(随机相位扰动、光束漂移等)两大类影响。其中光束漂移表现为信号光束中心不能时刻与接收探测器对准，导致低耦合效率、接收功率抖动。

传统解决光束漂移问题的方案依赖APT(瞄准、捕获和跟踪)系统，其原理为：由QD(象限探测器)获取光束位置后，由产生机械位移的装置(云台、微机电系统等)驱动接收探测器、光学元件等运动，实现光束对准。可简单概括为，要么通过调整光路实现入射光束偏转，要么通过调整接收机位置和姿态实现接收机对准。但上述方案需要复杂的光机设计和算法支持，同时补偿速度、精度和使用寿命都会受到制约。(参见：Yagiz Kaymak et al.,IEEE Communications Surveys&Tutorials,20(2018):1104)。

基于液晶光调制技术的空间光调制器(SLM)是一类能对二维横向空间光场调控的器件，分为透射式和反射式，类似于液晶显示器。当像素单元里有电压变化时，每个像素的液晶分子会发生偏转，而液晶分子的偏转角会改变液晶材料折射率，进而改变入射光光程，从而实现对出射光相位的操控。实际使用时，在SLM上加载匹配分辨率的灰度图(相位全息图)，图像的像素灰度值将对应SLM上每个像素控制的相位。具体而言，由于液晶双折射特性，只有入射光偏振态与非寻常光(e光)折射率方向一致时，才会受到相位调制，而与寻常光(o光)折射率方向一致的偏振态，不会受到相位调制。使用SLM同时加载闪耀光栅全息图，可以使受调制的光束出现在非零衍射级上，而不受调制的偏振态出现在零级衍射级上，从而实现了二者空间分离。另外，SLM产品有响应工作波段，对于非工作波段的光束入射SLM，无论其偏振态，SLM的作用仅充当反射镜/透镜。基于以上性质，SLM现已广泛应用于自适应光学、光学计算、光学信息处理等系统。

以特种光束(例如：OAM(轨道角动量光束))为载波的光通信系统需借助SLM生成光束，还需要在接收端部署SLM实现信号解调(参见：朱龙.特种光束的产生及其在光通信中的应用研究[D].武汉：华中科技大学，2018)。需要注意的是，一般设计加载到SLM的相位全息图是基于光束入射所设计相位版中心位置这一前提的，SLM对入射光位置非常敏感，当二者不在同一位置时，生成光束将出现畸变。光束漂移发生(即光束中心入射相位全息图非中心位置)，在接收端不仅会有本专利在背景技术前文所述问题，还会造成无效解调、信号串扰，严重影响通信质量。例如文章报道了120m空间链路的OAM光通信系统接收端光束漂移达0.55mm，(参见：Yongxiong Ren et al.,Optics Letters,41(2016):622)。目前商用SLM像元可达8μm，同时分辨率可高达1920×1080，其尺寸可满足较大范围内的接收光束位置的补偿需求。

因此，为了克服大气湍流引起光束漂移带来的影响，实现信号光束/特种信号光束在接收端稳定解调，同时避免使用响应速率低、精度较差的机械驱动装置，希望借助电驱液晶光调制技术，在不改变原信号入射光路和接收机位置的前提下实现光束解调。

发明内容

本发明的目的是解决光通信中光束漂移带来的低耦合效率、信号串扰、解调失效等问题，突破传统机械驱动式光束漂移补偿方案存在响应速率低、寿命短的瓶颈。本发明提出了一种无机械结构的光束漂移补偿装置，同时提供了该装置的实现方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种无机械结构的光束漂移补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、信标光和信号光经过光合束元器件实现共轴合束，在相同路径上传输；

步骤二、信标光和信号光共同到达第一空间光调制器，第一空间光调制器加载相位全息图和闪耀光栅全息图，第一空间光调制器调制信标光生成花瓣状并沿角向分布的探针结构光，第一空间光调制器对信号光进行反射；

步骤三、分离的信号光入射第二空间光调制器被其解调，第二空间光调制器也加载有相位全息图和闪耀光栅全息图，解调后的信号光经第一滤光片滤除背景光由信号接收单元处理；

步骤四、信标光被调制成探针结构光后经过第二滤光片滤除背景光，由CCD相机采集其强度分布。

本技术方案进一步的优化，还包括补偿实现方法如下：

步骤五、CCD相机上探针结构光光强分布是否均匀，如果不均匀，则转到步骤六；

步骤六、CCD相机将探针结构光的强度信息输入计算机，计算机根据强度信息计算补偿坐标B(M,N)，控制并同步调谐第一空间光调制器和第二空间光调制器上加载的相位全息图中心位置坐标变为B(M,N)，记其光束漂移量

在第一空间光调制器上以B(M,N)为坐标原点平均划分q个区域，q＝4n，n＝1,2,3…，其中相邻区域相位差为π，在相位全息图上表现的灰度值为0和128，而第二空间光调制器的相位全息图目的用于实现信号光解调，与具体的通信系统相关；

步骤七、获得光束漂移量Δd后，计算机同时改变闪耀光栅全息图周期实现光束偏转，根据闪耀光栅方程可知，对于像元d′的第一空间光调制器和第二空间光调制器，其最大偏转角θ_max＝arcsin(λ/2d′)，第一空间光调制器到CCD相机的垂直探测距离为Δh，在B(M,N)将生成的光束偏转至CCD相机，根据几何关系可得补偿偏转角近似表示为θ₂＝arctan(Δd/Δh+tan(θ₁))，由于上式变量均可获得，因此可由计算机快速控制第一空间光调制器和第二空间光调制器中闪耀光栅全息图的周期完成光束偏转；

步骤八、当CCD相机拍摄到探针结构光q瓣光强均等分布且位于视野正中央时，证明此时信号光漂移补偿完成，信号光可被第二空间光调制器较好解调。

本技术方案进一步的优化，所述第一空间光调制器产生花瓣数为q的探针结构光，q＝4n，n＝1,2,3…。

本技术方案进一步的优化，所述光合束元器件为二向色镜，若选用此方案，则信号光与信标光需为不同波长，并且第一空间光调制器需工作在信标光波长范围且不响应信号光波长范围，第二空间光调制器需工作在信号光波长范围且不响应信标光波长范围。

本技术方案进一步的优化，所述光合束元器件为合束器，若选用此方案，则信号光与信标光对波长无特殊要求，但要求第一空间光调制器工作波段至少覆盖信标光，第二空间光调制器工作波段至少覆盖信号光。

本技术方案进一步的优化，所述合束器也可为偏振合束器。

本技术方案更进一步的优化，还包括偏振片、第一半波片、第二半波片和第三半波片，所述偏振片和第一半波片平行放置，信标光经过偏振片、第一半波片进入合束器，信号光经过第二半波片进入合束器，所述第三半波片设置在第一空间光调制器和第二空间光调制器之间。

本技术方案进一步的优化，还包括信号接收单元，所述信号接收单元用于处理滤除背景光的信号光。

一种无机械结构的光束漂移补偿装置，它包括光合束器件、第一空间光调制器、第二空间光调制器、第一滤光片、第二滤光片、CCD相机和计算机，第一空间光调制器和第二空间光调制器平行放置，光合束器件用于将信号光和信标光进行共轴合束；

所述第一空间光调制器加载相位全息图和闪耀光栅全息图，用于对信标光进行调制，并将信标光和信号光分离；

所述第二空间光调制器用于解调分离后的信号光；

所述第一滤光片用于滤除经第二空间光调制器解调之后信号光中的背景光；

所述第二滤光片用于滤除分离后的信标光中的背景光；

所述CCD相机用于采集滤除背景光后的信标光强度分布；

所述计算机用于控制第一空间光调制器、第二空间光调制器和CCD相机。

本技术方案进一步的优化，还包括补偿实现方法如下：

步骤五、CCD相机上探针结构光光强分布是否均匀，如果不均匀，则转到步骤六；

步骤六、CCD相机将探针结构光的强度信息输入计算机，计算机根据强度信息计算补偿坐标B(M,N)，控制并同步调谐第一空间光调制器和第二空间光调制器上加载的相位全息图中心位置坐标变为B(M,N)，记其光束漂移量

在第一空间光调制器上以B(M,N)为坐标原点平均划分q个区域，q＝4n，n＝1,2,3…，其中相邻区域相位差为π，在相位全息图上表现的灰度值为0和128，而第二空间光调制器的相位全息图目的用于实现信号光解调，与具体的通信系统相关；

步骤七、获得光束漂移量Δd后，计算机同时改变闪耀光栅全息图周期实现光束偏转，根据闪耀光栅方程可知，对于像元d′的第一空间光调制器和第二空间光调制器，其最大偏转角θ_max＝arcsin(λ/2d′)，第一空间光调制器到CCD相机的垂直探测距离为Δh，在B(M,N)将生成的光束偏转至CCD相机，根据几何关系可得补偿偏转角近似表示为θ₂＝arctan(Δd/Δh+tan(θ₁))，由于上式变量均可获得，因此可由计算机快速控制第一空间光调制器和第二空间光调制器中闪耀光栅全息图的周期完成光束偏转；

步骤八、当CCD相机拍摄到探针结构光q瓣光强均等分布且位于视野正中央时，证明此时信号光漂移补偿完成，信号光可被第二空间光调制器较好解调。

本技术方案进一步的优化，所述光合束元器件为二向色镜，若选用此方案，则信号光与信标光需为不同波长，并且第一空间光调制器需工作在信标光波长范围且不响应信号光波长范围，第二空间光调制器需工作在信号光波长范围且不响应信标光波长范围。

本技术方案进一步的优化，所述光合束元器件为合束器，若选用此方案，则信号光与信标光对波长无特殊要求，但要求第一空间光调制器工作波段至少覆盖信标光，第二空间光调制器工作波段至少覆盖信号光。

本技术方案进一步的优化，所述合束器也可为偏振合束器。

本技术方案更进一步的优化，还包括偏振片、第一半波片、第二半波片和第三半波片，所述偏振片和第一半波片平行放置，信标光经过偏振片、第一半波片进入合束器，信号光经过第二半波片进入合束器，所述第三半波片设置在第一空间光调制器和第二空间光调制器之间。

本技术方案进一步的优化，还包括信号接收单元，所述信号接收单元用于处理滤除背景光的信号光。

本技术方案进一步的优化，所述第一空间光调制器产生花瓣数为q的探针结构光，q＝4n，n＝1,2,3…。

区别于现有技术，上述技术方案的有益效果如下：

1.相比传统需四象限探测器实现光束位置感知的方案，本发明利用加载的相位全息图对入射光位置灵敏的特性，引入一路信标光并将其调制成探针结构光，以每瓣的光强作为衡量光束位置的偏离程度，实现光束中心位置的矢量感知。

2.不同与传统利用机械位移驱动对入射光路或接收机平台姿态控制的方案。本发明基于电驱液晶光调制技术，结合光束位置感知结果与闪耀光栅特性，实现光束自适应偏转控制，无需机械位移驱动装置，降低了算法复杂度低、无需光电转换、精度高、响应时间更快。

3.本发明利用空间光调制器对波长或偏振的依赖性，实现了信标光与信号光的空间分离，适用于多种空间光通信系统，如传统激光通信、轨道角动量复用/多播光通信、无衍射特种载波光通信系统。

附图说明

图1为无机械结构的光束漂移补偿装置的一种结构示意图

图2为无机械结构的光束漂移补偿装置的另一种结构示意图

图3为无机械结构的光束漂移补偿装置实施例一示意图；

图4为相位全息图；

图5为闪耀光栅全息图；

图6为在不同探测距离Δh和不同光束漂移量Δd下，初始偏转角θ₁与补偿偏转角θ₂间的关系示意图；

图7为一种无机械结构的光束漂移补偿装置实施例二示意图；

图8为第一空间光调制器加载的相位全息图在补偿中的变化过程图；

图9为实施例二中信标光漂移实测结果示意图；

图10为实施例二中信号光解调前光束漂移补偿前后实测结果示意图；

图11为实施例二中信号光解调后光束漂移补偿前后实测结果示意图。

图中：1.二向色镜，2.第一空间光调制器，201.相位全息图，202.闪耀光栅全息图，3.第二空间光调制器，4.第一滤光片，5.第二滤光片，6.CCD相机，7.计算机，8.合束器，9.第一半波片，10.偏振片，11.第二半波片，12.第三半波片，13.信号接收单元。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

实施例一

参阅图3所示，为无机械结构的光束漂移补偿装置实施例一示意图，基于空间光调制器对不同波长的响应，本实施例提供一种无机械结构的光束漂移补偿装置。该装置包括二向色镜1，第一空间光调制器2，相位全息图201，闪耀光栅全息图202，第二空间光调制器3，第一滤光片4，第二滤光片5，CCD相机6，计算机7和信号接收单元13。其中，第一空间光调制器2和第二空间光调制器3平行放置。

二向色镜1用于将信号光与信标光共轴合束，第一空间光调制器2加载相位全息图201和闪耀光栅全息图202，用于对信标光进行调制，并将信标光和信号光分离。第二空间光调制器3用于解调分离后的信号光，第一滤光片4用于滤除经第二空间光调制器3解调之后信号光中的背景光。第二滤光片5用于滤除分离后的信标光中的背景光，CCD相机6用于采集滤除背景光后的信标光强度分布，计算机7用于控制第一空间光调制器、第二空间光调制器和CCD相机。

该实施例的光合束元器件采用二向色镜1，则信号光与信标光需为不同波长，并且第一空间光调制器2需工作在信标光波长范围且不响应信号光波长范围，第二空间光调制器3需工作在信号光波长范围且不响应信标光波长范围。

在本实施例中，以OAM特种光通信系统的光束漂移补偿为例，约定空间光调制器只响应偏振态为p的光波。信号光使用波长为1550nm，强度分布呈甜甜圈形状的OAM光束，而信标光为532nm，强度呈高斯形分布。

上述两路光由短波透射、长波反射特性的二向色镜1共轴合束，二者在相同路径上传输，受到相同的大气湍流作用后出现光束漂移，并到达第一空间光调制器2。第一空间光调制器2和第二空间光调制器3严格平行放置，保证待调制光束在上述两个空间光调制器中入射角相等。

参阅图4和图5所示，分别为相位全息图201和闪耀光栅全息图202。第一空间光调制器2加载相位全息图201和闪耀光栅全息图202，目的分别是为调制信标光生成花瓣状并沿角向分布的探针结构光和分离调制后的信标光并实现光束偏转对准CCD相机6中心。这里需要指出本专利的特点之一是使用第一空间光调制器2产生了花瓣数为4的整数倍的(q＝4n,n＝1,2,3…)的探针结构光，以每瓣的光强作为衡量光束位置的偏离程度，保证了上、下、左、右偏离量均可被均等表征，实现光束中心位置的感知。相比传统四象限探测器感知光束位置的方法，本专利所述探针结构光的方法降低了硬件复杂度、无需光电转换、响应时间更快。本实施例选用的探针结构光花瓣数为4。

第一空间光调制器2波长工作范围在420-650nm，基于空间光调制器对不同波长的响应，对波长1550nm的信号光而言，第一空间光调制器2的作用仅为反射作用，即出现在0级衍射的位置。而对532nm的信标光而言，其偏振态为p的分量将受到第一空间光调制器2的调制生成探针结构光，并在闪耀光栅全息图202的作用下，生成在1级衍射位置，其初始偏转角记为θ₁。而其偏振态为s的分量不受调制，因而出现在0级衍射位置。

对于本实施例中使用的信号光为拓扑核+3的拉盖尔-高斯光束而言，第二空间光调制器3加载与其相位共轭(即拓扑核-3)的相位全息图，入射第二空间光调制器3被其解调，解调后的信号光经第一滤光片4滤除背景光由信号接收单元13处理。

对于信标光，被调制成探针结构光后经过第二滤光片5滤除背景光，由CCD相机6采集其强度分布。

无湍流时，第一空间光调制器2和第二空间光调制器3加载的相位全息图201中心位于空间光调制器的几何中心A(0,0)，光路内可插入其他用于光路调整的光器件(图中未展示,例如反射镜、透镜等)，调整光路使得CCD相机6采集到探针结构光4瓣强度均匀且位于视野中央。

湍流作用后，此时光束漂移造成入射信标光中心与第一空间光调制器2中加载相位全息图201的中心失配，造成为探针结构光4瓣光强不均等分布和视野位置变化。同理，光束漂移造成入射信号光中心与第二空间光调制器3中加载的解调相位全息图失配，造成信号光解调质量恶化。

经探针结构光感知，CCD相机6将光束矢量位移AB(M,N)输入计算机7处理，由计算机7控制并同步调谐第一空间光调制器2和第二空间光调制器3上加载的相位全息图201中心位置，同时根据光束矢量位移修改加载的闪耀光栅全息图202实现补偿偏转角θ₂。当CCD相机6拍摄到探针结构光4瓣光强均等分布时且位于视野正中央时，证明信标光束中心已对准相位全息图中心201，实现了信标光漂移的补偿。而由于信号光与信标光在相同链路下光束漂移量相同，因此也同时实现了信号光漂移的补偿，此时信号光可被第二空间光调制器3解调。

实施例二

参阅图7所示，为一种无机械结构的光束漂移补偿装置实施例二示意图。该装置与实施例一的区别在于，实施例二是基于空间光调制器对不同偏振态的响应实现信标光与信号光的空间分离，因此需要将实施例一中二向色镜1改成合束器8，并增加对入射信号光和信标光偏振态调控的光学元件：偏振片10、第一半波片9、第二半波片11、第三半波片12。偏振片10和第一半波片9平行放置，信标光经过偏振片10、第一半波片9进入合束器8，信号光经过第二半波片11进入合束器8，第三半波片12设置在第一空间光调制器2和第二空间光调制器3之间。

仍以OAM特种光通信系统的光束漂移补偿为例，约定空间光调制器只响应偏振态为p的光波。信号光使用波长为1550nm，强度分布呈甜甜圈形状的OAM光束，信标光为1550nm，强度呈高斯形分布。

一般地，OAM信号光光束由空间光调制器生成(图中未标出)，因此其偏振态一定为可被上级空间光调制器(图中未标出)调制的p态。由于需要信号光不被第一空间光调制器2调制，因此需借助第二半波片11将其偏振态p态转为s态；对于信标光，需借助偏振片10和第一半波片9将其转换为受第一空间光调制器2调制的p态。

上述两路光由合束器8(或使用偏振合束器)共轴合束，二者在相同路径上传输，受到相同的大气湍流作用后出现光束漂移，并到达第一空间光调制器2。

第一空间光调制器2和第二空间光调制器3严格平行放置，保证待调制光束在上述两个空间光调制器中入射角相等。

该实施例的光合束元器件为合束器8，则信号光与信标光对波长无特殊要求，但要求第一空间光调制器2工作波段至少覆盖信标光，第二空间光调制器3工作波段至少覆盖信号光。

参阅图4和图5所示，分别为相位全息图201和闪耀光栅全息图202。第一空间光调制器2加载相位全息图201和闪耀光栅全息图202，目的分别是为调制信标光生成花瓣状并沿角向分布的探针结构光和分离调制后的信标光并实现光束偏转对准CCD相机6中心。本实施例选用的探针结构光花瓣数为4。

基于空间光调制器对偏振态的响应，对偏振态为s态的信号光而言，第一空间光调制器2的作用仅为反射作用，即出现在0级衍射的位置。而对偏振态为p态的信标光而言，其受到第一空间光调制器2的调制生成探针结构光，并在闪耀光栅全息图202的作用下，生成在1级衍射位置，其初始偏转角记为θ₁。

对于本实施例中使用的信号光为拓扑核+3的拉盖尔-高斯光束而言，第二空间光调制器3加载与其相位共轭(即拓扑核-3)的相位全息图，同时需要第三半波片11将信号光s偏振态转为受第二空间光调制器3调制的p偏振态，而后才能被其解调。解调后的信号光经第一滤光片4滤除背景光由信号接收单元13处理。

对于信标光，被调制成探针结构光后经过第二滤光片5滤除背景光，由CCD相机6采集其强度分布。

无湍流时，第一空间光调制器2和第二空间光调制器3加载的相位全息图201中心位于空间光调制器的几何中心A(0,0)，光路内可插入其他用于光路调整的光器件(图中未展示,例如反射镜、透镜等)，调整光路使得CCD相机6采集到探针结构光4瓣强度均匀且位于视野中央。

湍流作用后，此时光束漂移造成入射信标光中心与第一空间光调制器2中加载相位全息图201的中心失配，造成为探针结构光4瓣光强不均等分布和视野位置变化。同理，光束漂移造成入射信号光中心与第二空间光调制器3中加载的解调相位全息图失配，造成信号光解调质量恶化。

经探针结构光感知，CCD相机6将光束矢量位移AB(M,N)输入计算机7处理，由计算机7控制并同步调谐第一空间光调制器2和第二空间光调制器3上加载的相位全息图201中心位置，同时根据光束矢量位移修改加载的闪耀光栅全息图202实现补偿偏转角θ₂。参阅图6所示，为在不同探测距离Δh和不同光束漂移量Δd下，初始偏转角θ₁与补偿偏转角θ₂间的关系示意图。当CCD相机6拍摄到探针结构光4瓣光强均等分布时且位于视野正中央时，证明信标光束中心已对准相位全息图中心201，实现了信标光漂移的补偿。而由于信号光与信标光在相同链路下光束漂移量相同，因此也同时实现了信号光漂移的补偿，此时信号光可被第二空间光调制器3解调。

本发明提出了一种无机械结构的光束漂移补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、信标光和信号光经过光合束元器件实现共轴合束，在相同路径上传输；

步骤二、信标光和信号光共同到达第一空间光调制器2，第一空间光调制器2加载相位全息图201和闪耀光栅全息图202，第一空间光调制器2调制信标光生成花瓣状并沿角向分布的探针结构光，第一空间光调制器2对信号光进行反射；

步骤三、分离的信号光入射第二空间光调制器3被其解调，第二空间光调制器3也加载有相位全息图和闪耀光栅全息图，解调后的信号光经第一滤光片4滤除背景光由信号接收单元13处理；

步骤四、信标光被调制成探针结构光后经过第二滤光片5滤除背景光，由CCD相机6采集其强度分布。

在实施例一和实施例二所述无机械结构的光束漂移补偿装置结构下。无湍流时，调整光学系统使得第一空间光调制器2和第二空间光调制器3平行安置。参阅图8所示，为第一空间光调制器2加载的相位全息图在补偿中的变化过程图，同时调整光路使信标光入射第一空间光调制器2几何中心，即A(0,0)，此时可以通过CCD相机6观察到探针结构光4瓣强度相等且位于视野中央。

有湍流作用时，由于光束漂移造成了光束入射位置与相位全息图201中心位置失配。在CCD相机6上表现为生成的探针结构光光强分布的不均匀化，并且如果光束入射位置相对相位全息图中心偏左，形成的探针结构光在光强分布上也表现为左边的两瓣强度高于右边两瓣，同理可推断其他情况。

补偿实现方法如下：

步骤五、CCD相机6上探针结构光光强分布是否均匀，如果不均匀，则转到步骤六；

步骤六、CCD相机6将强度信息输入计算机7，计算机7根据强度信息计算补偿坐标B(M,N)，控制并同步调谐第一空间光调制器2和第二空间光调制器3上加载的相位全息图201中心位置坐标变为B(M,N)，记其光束漂移量

在第一空间光调制器上以B(M,N)为坐标原点平均划分4个区域(q＝4n,n＝1,2,3…，该实施例q取4)，其中相邻区域相位差为π，在相位全息图上表现的灰度值为0和128。

步骤七、获得光束漂移量Δd后，计算机7同时改变第一空间光调制器2和第二空间光调制器3加载的闪耀光栅全息图202周期实现光束偏转，根据闪耀光栅方程可知，对于像元d′＝8μm的第一空间光调制器2和第二空间光调制器3，其最大偏转角θ_max＝arcsin(λ/2d′)＝5.55°。记第一空间光调制器3到CCD相机6的垂直探测距离为Δh，需要在B点将生成的光束偏转至接收单元，根据几何关系可得补偿偏转角近似表示为θ₂＝arctan(Δd/Δh+tan(θ₁))。实际操作中上式变量均为已知，因此可快速由计算机7控制第一空间光调制器2中闪耀光栅全息图202的周期完成光束偏转。其具体分析过程如下，参阅图6所示，为在不同探测距离Δh和不同光束漂移量Δd下，初始偏转角θ₁与补偿偏转角θ₂间的关系示意图。如图6(a)在光束漂移Δd在2mm范围时，可以看出当CCD相机6距第一空间光调制器2探测距离Δh大于1m时其补偿偏转角θ₂可被限制在较小值，满足设计需要。如图6(b)所示，在Δh为1m条件下，可以得到光束漂移Δd补偿范围接近5mm，在实际操作中，通过增加CCD相机6到第一空间光调制器2的探测距离Δh可进一步实现更大范围的光束漂移补偿，同时保证补偿偏转角θ₂也在θ_max范围内。

步骤八、当CCD相机6拍摄到探针结构光4瓣光强均等分布且位于视野正中央时，证明此时信号光漂移补偿完成，信号光可被第二空间光调制器3较好解调。由于一般光束漂移会在一定范围内以约百赫兹范围内抖动，计算机7会保持伺服状态实时补偿光束漂移，本方法控制算法复杂度低，因此响应速度快，对硬件要求也相对较低。

使用实施例2所述无机械结构的光束漂移补偿装置以及实现方法，我们给出了实验所测结果：

参阅图9所示，为实施例二中信标光漂移实测结果示意图。在光束中心对准第一空间光调制器2相位全息图201中心时，信标光被调制成花瓣状并沿角向分布的探针结构光，且瓣数为4，可以明显看出其各个瓣强度分布均匀。当我们控制光路分别产生固定0.4mm的左位移、右位移、上位移、下位移时，可以看到生成的探针结构光光强分布分别向左、右、上、下局域。

参阅图10所示，为实施例二中信号光解调前光束漂移补偿前后实测结果示意图。探测了存在光束漂移的情况下，入射第二空间光调制器3的信号光光场，可以看出原本呈现“甜甜圈”形状的OAM信号光光束出现了畸变，畸变光场也会表现出与光束漂移方向相关的光强局域，但很难仅根据信号光场强度信息推断其漂移量，而探针结构光可以做到。

参阅图11所示，为实施例二中信号光解调后光束漂移补偿前后实测结果示意图。给出了当存在光束漂移时，信号光经第二空间光调制器3解调结果。当出现光束漂移，由于入射OAM光束的相位无法与第二空间光调制器3加载的相位全息图角向相位匹配，造成了解调失效，即表现为中心无明显类高斯光场出现。以实施例二为例，通过上述装置和实现方法实现了光束漂移补偿，补偿后可明显看到信号光被成功解调，外部的衍射环能量相对较弱，光场局域在中央，呈类高斯分布。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (14)

1.一种无机械结构的光束漂移补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、信标光和信号光经过光合束元器件实现共轴合束，在相同路径上传输；

步骤二、信标光和信号光共同到达第一空间光调制器，第一空间光调制器加载相位全息图和闪耀光栅全息图，第一空间光调制器调制信标光生成花瓣状并沿角向分布的探针结构光，第一空间光调制器对信号光进行反射；

步骤三、分离的信号光入射第二空间光调制器被其解调，第二空间光调制器也加载有相位全息图和闪耀光栅全息图，解调后的信号光经第一滤光片滤除背景光由信号接收单元处理；

步骤四、信标光被调制成探针结构光后经过第二滤光片滤除背景光，由CCD相机采集其强度分布；

还包括补偿实现方法如下：

步骤五、CCD相机上探针结构光光强分布是否均匀，如果不均匀，则转到步骤六；

步骤六、CCD相机将探针结构光的强度信息输入计算机，计算机根据强度信息计算补偿坐标B(M,N)，控制并同步调谐第一空间光调制器和第二空间光调制器上加载的相位全息图中心位置坐标变为B(M,N)，记其光束漂移量

在第一空间光调制器上以B为坐标原点平均划分q个区域，q＝4n，n＝1,2,3…，其中相邻区域相位差为π，在相位全息图上表现的灰度值为0和128；

步骤七、获得光束漂移量Δd后，计算机同时改变闪耀光栅全息图周期实现光束偏转，根据闪耀光栅方程可知，对于像元d′的第一空间光调制器和第二空间光调制器，其最大偏转角θ_max＝arcsin(λ/2d′)，第一空间光调制器到CCD相机的垂直探测距离为Δh，在B(M,N)将生成的光束偏转至CCD相机，根据几何关系可得补偿偏转角近似表示为θ₂＝arctan(Δd/Δh+tan(θ₁))，由于上式变量均可获得，因此可由计算机快速控制第一空间光调制器和第二空间光调制器中闪耀光栅全息图的周期完成光束偏转；

步骤八、当CCD相机拍摄到探针结构光q瓣光强均等分布且位于视野正中央时，证明此时信号光漂移补偿完成，信号光可被第二空间光调制器较好解调。

2.如权利要求1所述的无机械结构的光束漂移补偿方法，其特征在于，所述第一空间光调制器产生花瓣数为q的探针结构光，q＝4n，n＝1,2,3…。

3.如权利要求1所述的无机械结构的光束漂移补偿方法，其特征在于，所述光合束元器件为二向色镜。

4.如权利要求1所述的无机械结构的光束漂移补偿方法，其特征在于，所述光合束元器件为合束器。

5.如权利要求4所述的无机械结构的光束漂移补偿方法，其特征在于，所述合束器也可以为偏振合束器。

6.如权利要求4所述的无机械结构的光束漂移补偿方法，其特征在于，还包括偏振片、第一半波片、第二半波片和第三半波片，所述偏振片和第一半波片平行放置，信标光经过偏振片、第一半波片进入合束器，信号光经过第二半波片进入合束器，所述第三半波片设置在第一空间光调制器和第二空间光调制器之间。

7.如权利要求1所述的无机械结构的光束漂移补偿方法，其特征在于，还包括信号接收单元，所述信号接收单元用于处理滤除背景光的信号光。

8.一种无机械结构的光束漂移补偿装置，其特征在于：它包括光合束元器件、第一空间光调制器、第二空间光调制器、第一滤光片、第二滤光片、CCD相机和计算机，第一空间光调制器和第二空间光调制器平行放置，光合束元器件用于将信号光和信标光进行共轴合束；

所述第一空间光调制器加载相位全息图和闪耀光栅全息图，用于对信标光进行调制，并将信标光和信号光分离；

所述第二空间光调制器用于解调分离后的信号光；

所述第一滤光片用于滤除经第二空间光调制器解调之后信号光中的背景光；

所述第二滤光片用于滤除分离后的信标光中的背景光；

所述CCD相机用于采集滤除背景光后的信标光强度分布；

所述计算机用于控制第一空间光调制器、第二空间光调制器和CCD相机；

还包括补偿实现方法如下：

步骤五、CCD相机上探针结构光光强分布是否均匀，如果不均匀，则转到步骤六；

步骤六、CCD相机将探针结构光的强度信息输入计算机，计算机根据强度信息计算补偿坐标B(M,N)，控制并同步调谐第一空间光调制器和第二空间光调制器上加载的相位全息图中心位置坐标变为B(M,N)，记其光束漂移量

在第一空间光调制器上以B(M,N)为坐标原点平均划分q个区域，q＝4n，n＝1,2,3…，其中相邻区域相位差为π，在相位全息图上表现的灰度值为0和128；

步骤七、获得光束漂移量Δd后，计算机同时改变闪耀光栅全息图周期实现光束偏转，根据闪耀光栅方程可知，对于像元d′的第一空间光调制器和第二空间光调制器，其最大偏转角θ_max＝arcsin(λ/2d′)，第一空间光调制器到CCD相机的垂直探测距离为Δh，在B(M,N)将生成的光束偏转至CCD相机，根据几何关系可得补偿偏转角近似表示为θ₂＝arctan(Δd/Δh+tan(θ₁))，由于上式变量均可获得，因此可由计算机快速控制第一空间光调制器和第二空间光调制器中闪耀光栅全息图的周期完成光束偏转；

步骤八、当CCD相机拍摄到探针结构光q瓣光强均等分布且位于视野正中央时，证明此时信号光漂移补偿完成，信号光可被第二空间光调制器较好解调。

9.如权利要求8所述的无机械结构的光束漂移补偿装置，其特征在于，所述光合束元器件为二向色镜。

10.如权利要求8所述的无机械结构的光束漂移补偿装置，其特征在于，所述光合束元器件为合束器。

11.如权利要求10所述的无机械结构的光束漂移补偿装置，其特征在于，所述光合束元器件为偏振合束器。

12.如权利要求10所述的无机械结构的光束漂移补偿装置，其特征在于，还包括偏振片、第一半波片、第二半波片和第三半波片，所述偏振片和第一半波片平行放置，信标光经过偏振片、第一半波片进入合束器，信号光经过第二半波片进入合束器，所述第三半波片设置在第一空间光调制器和第二空间光调制器之间。

13.如权利要求8所述的无机械结构的光束漂移补偿装置，其特征在于，还包括信号接收单元，所述信号接收单元用于处理滤除背景光的信号光。

14.如权利要求8所述的无机械结构的光束漂移补偿装置，其特征在于：所述第一空间光调制器产生花瓣数为q的探针结构光，q＝4n，n＝1,2,3…。

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