CN114141115A - 一种基于空间光在自由空间中传输的实验装置 - Google Patents

一种基于空间光在自由空间中传输的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于空间光在自由空间中传输的实验装置，实验装置包括：第一实验平台和第二实验平台；设置于第一实验平台上的激光光源、光隔离器、扩束准直元件、螺旋相位片和发射天线；设置于第二实验平台上的接收天线、分束镜、波前传感器、光束分析仪。本发明的实验装置能够实现在外场实验中，研究LG光束在大气湍流中不同传输距离的传输特性。

Description

一种基于空间光在自由空间中传输的实验装置
技术领域
本发明属于自由空间光通信技术领域，涉及一种基于空间光在自由空间中传输的实验装置。
背景技术
涡旋光因其独特的螺旋形波前结构以及轨道角动量特性为自由空间光通信提供了新的复用形式，提升了通信容量和通信安全。近年来，随着涡旋光在光通信中的深入研究，涡旋光在大气湍流中的传输特性成为自由空间光通信(FSO，FreeSpace OpticalCommunica tions)的研究热点。探索涡旋光束在大气湍流中的传输特性成为复用通信系统的关键科学问题之一。
以往研究主要以涡旋光束在大气湍流中的理论、数值模拟为主，实验上也主要在室内利用相位屏完成，而在实际湍流中研究涡旋光在大气湍流中的传输特性鲜有报道。
因此，如何实现涡旋光在实际的大气湍流中的传输成为了亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于空间光在自由空间中传输的实验装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于空间光在自由空间中传输的实验装置，所述实验装置包括：
可沿水平方向移动和沿竖直方向上下调节的第一实验平台和第二实验平台；
激光光源，所述激光光源设置于所述第一实验平台上，用于发射激光光束；
光隔离器，所述光隔离器设置于所述第一实验平台上，用于隔离所述激光光束，以免所述激光光束反射回所述激光光源；
扩束准直元件，所述扩束准直元件设置于所述第一实验平台上，用于对透过所述光隔离器的所述激光光束进行扩束和准直处理，以得到第一光束；
螺旋相位片，所述螺旋相位片设置于所述第一实验平台上，用于将所述第一光束转变为预设拓扑荷数的空间光；
发射天线，所述发射天线设置于所述第一实验平台上，用于发射所述螺旋相位片产生的空间光；
接收天线，所述接收天线设置于所述第二实验平台上，用于接收所述发射天线发射的进入大气湍流后的空间光。
在本发明的一个实施例中，所述扩束准直元件包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜沿所述第一光束的方向进行设置，所述第一透镜沿靠近所述光隔离器的方向进行设置，且所述第一透镜的焦距小于所述第二透镜的焦距。
在本发明的一个实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜均包括平凸透镜。
在本发明的一个实施例中，所述实验装置还包括：
第一反射镜，所述第一反射镜设置于所述第一实验平台上，用于对经所述扩束准直元件处理后得到的第一光束进行反射；
第二反射镜，所述第二反射镜设置于所述第一实验平台上，用于对所述第一反射镜反射的第一光束进行反射，以使所述第一光束进入所述螺旋相位片。
在本发明的一个实施例中，所述第一反射镜和所述第二反射镜分别设置于所述第一实验平台的对角上。
在本发明的一个实施例中，所述激光光源包括He-Ne激光器。
在本发明的一个实施例中，所述发射天线和所述接收天线均包括马卡天线。
在本发明的一个实施例中，所述实验装置还包括分束镜，所述分束镜设置于所述第二实验平台上，用于对所述接收天线接收的空间光进行分束，以得到第一分束光束和第二分束光束。
在本发明的一个实施例中，所述实验装置还包括：
光束分析仪，所述光束分析仪设置于所述第二实验平台上，用于采集所述第一分束光束的光斑强度和光场分布情况；
波前传感器，所述波前传感器设置于所述第二实验平台上，用于采集所述第二分束光束的光场分布情况和波前状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的实验装置能够实现在外场实验中，研究LG光束在大气湍流中不同传输距离的传输特性。
本发明的实验装置光路易于调节，易于调整空间光的拓扑荷数，传输距离可根据实验平台任意调整，且光路简单、准直性好，并可同时采集多个光学信号。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种空间光在大气湍流中传输的实验装置的三维示意图；
图2为本发明实施例提供的一种空间光在大气湍流中传输的实验装置的平面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
LG(拉盖尔高斯光束)光束在大气湍流中的传输理论：
基于广义的惠更斯-菲涅尔原理，在Rytov近似条件下，光波在湍流介质中传输至z处，其光场可表示为：
Figure BDA0003336202090000041
其中，r,R分别表示源平面和输出平面的位置矢量，E(r,θ)表示源平面光场，ψ(r,R,z)表示大气湍流导致的复相位扰动，可以扩展为复值的傅里叶级数。
此时输出平面的光强可表示为：
Figure BDA0003336202090000042
其中，r1和r2分别表示源平面内任意两点的位置矢量的模，R0表示球面波在湍流介质中传输时的相干长度；
Figure RE-GDA0003480635090000043
表示贝塞尔函数。
基于上述理论，请参见图1、图2，图1为本发明实施例提供的一种空间光在大气湍流中传输的实验装置的三维示意图，图2为本发明实施例提供的一种空间光在大气湍流中传输的实验装置的平面示意图。本发明提供一种基于空间光在自由空间中传输的实验装置，该实验装置包括：
可沿水平方向移动和沿竖直方向上下调节的第一实验平台1和第二实验平台2；
激光光源3，激光光源3设置于第一实验平台1上，用于发射激光光束；
光隔离器4，光隔离器4设置于第一实验平台1上，用于隔离激光光束，以免激光光束反射回激光光源3；
扩束准直元件5，扩束准直元件5设置于所述第一实验平台1上，用于对透过光隔离器4的激光光束进行扩束和准直处理，以得到第一光束；
螺旋相位片6，螺旋相位片6设置于第一实验平台1上，用于将第一光束转变为预设拓扑荷数的空间光；
发射天线7，发射天线7设置于第一实验平台1上，用于发射螺旋相位片6产生的空间光；
接收天线8，接收天线8设置于第二实验平台2上，用于接收发射天线 7发射的进入大气湍流后的空间光。
也就是说，本实施例在第一实验平台1上安装了激光光源3、光隔离器4、扩束准直元件5、螺旋相位片(SPP，Spiral Phase Plate)6和发射天线7，在第二实验平台2上安装了接收天线8，由激光光源3发出的激光光束进入光隔离器4，光隔离器4可以使激光光源3发出的激光光束不再反向回到激光光源3，避免损伤激光光源3，对激光光源3起到保护作用，激光光束经光隔离器4之后进入扩束准直元件5，激光光束经扩束准直元件5进行扩束和准直处理后，便可以得到第一光束，第一光束进入螺旋相位片6，螺旋相位片6便可以产生预设拓扑荷数的空间光，即可以得到LG光束，其中，预设拓扑荷数的空间光为所需要的拓扑荷数的空间光，例如拓扑荷数为1，需要说明的是，本实施例可以通过更换螺旋相位片6来获得不同拓扑荷数的空间光，经过螺旋相位片6的空间光进入发射天线7，之后发射天线7发射该空间光进入实际的大气湍流中，进入大气湍流中的空间光被处于第二实验平台2上的接收天线8接收，从而可以通过相关的仪器设备分析大气湍流的传输特性。
在一个具体实施例中，实验装置还包括：
第一反射镜9，第一反射镜9设置于第一实验平台1上，用于对经扩束准直元件5处理后得到的第一光束进行反射；
第二反射镜10，第二反射镜10设置于第一实验平台1上，用于对第一反射镜9反射的第一光束进行反射，以使第一光束进入螺旋相位片6。
进一步地，第一反射镜9和第二反射镜10分别设置于第一实验平台1 的对角上。
本实施例通过在第一实验平台1的对角上设置第一反射镜9和第二反射镜10，可以减小实验平台的尺寸，可以调整光束在垂直、水平方位的方向，这样可以使第一光束始终保持垂直于光学元件的接收孔径，且保证第一光束平行于光学平台。
在一个具体实施例中，扩束准直元件5包括第一透镜51和第二透镜52，第一透镜51和第二透镜52沿第一光束的方向进行设置，第一透镜51沿靠近光隔离器4的方向进行设置，且第一透镜51的焦距小于第二透镜52的焦距，由此可以使得第一光束成为平行光束。
优选地，第一透镜51的焦距f＝7.5cm和第二透镜52的焦距f＝17.5cm。
优选地，第一透镜51和第二透镜52均包括平凸透镜。
在一个具体实施例中，激光光源3包括He-Ne激光器，其波长λ＝632.8nm。
在一个具体实施例中，激光光源3与光隔离器4之间的距离为10cm，光隔离器4与第一透镜51的距离为15cm，第一透镜51与第二透镜52的距离为15cm，第二透镜52与第一反射镜9的距离为25cm，第二反射镜10 与螺旋相位片6的距离为33cm，螺旋相位片6与发射天线7的距离为16cm。
在本实施例中，第一实验平台1和第二实验平台2均既可以进行水平和竖直移动，当进行水平移动时可以调节第一实验平台1和第二实验平台2 之间的距离，例如，第一反射镜9至接收天线8的垂直距离为800m，当进行竖直移动时可以调节第一实验平台1和第二实验平台2在竖直方向的位置，由此可以便于发射光和接收光对准光路。
具体地，可以通过在第一实验平台1和第二实验平台2的支撑腿下方安装万向轮，从而实现在水平方向的任意移动，可以通过将支撑腿设置成通过电动控制的可伸缩的伸缩杆来实现第一实验平台1和第二实验平台2竖直方向的移动。
在一个具体实施例中，发射天线7和接收天线8均包括马卡天线，其中，马卡天线具有尺寸小、孔径大以及焦距长等优点。
在本实施例中，涡旋光束属于环状光束，可利用涡旋光束的环状特性实现马卡天线盲区的规避，达到提高发射效率的目的。发射天线7发射出的光束在近地面大气中传输一段距离后由接收天线8接收。
在一个具体实施例中，实验装置还包括分束镜11，分束镜11设置于第二实验平台2上，用于对接收天线8接收的空间光进行分束，以得到第一分束光束和第二分束光束，如第一分束光束为透过分束镜11的光束，第二分束光束为经分束镜11反射的光束。
本实施例的实验装置可以对实际大气湍流中的传输特性进行测试。
因此，当对实际大气湍流中的传输特性进行测试时，本实施例的实验装置还包括：
光束分析仪12，光束分析仪12设置于第二实验平台2上，用于采集第一分束光束的光斑强度和光场分布情况；
波前传感器13，波前传感器13设置于第二实验平台2上，用于采集第二分束光束的光场分布情况和波前状态。
因此，本实施例可以通过光束分析仪12可以采集光斑强度和光场分布情况，通过波前传感器13可以采集光斑的光场分布情况(二维、三维)以及光场的波前状态，另外，可以在分束镜11和波前传感器13之间设置以第三反射镜14，由此，第二分束光束可以经第三反射镜14的反射后进入波前传感器13。
在一个具体实施例中，接收天线8与分束镜11之间的距离为15cm，分束镜11与光束分析仪12之间的距离为30cm，第三反射镜14与波前传感器13之间的距离为30cm。
需要说明的是，本发明实施例所提供的实验装置还可以通过增加BS(分束镜)继续对光束进行分束，由CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件) 接收一束光，另一束光也可与平面波球面波干涉，完成干涉实验。因此，在本发明实施例的实验装置的基础上还可以进行其他实验的研究和分析。
本实验建立了外场光束传输实验系统。在2021年7月份进行相关实验测量，测量时间为每天下午6点左右。由本实施例的实验装置可知，该实验装置研究了LG光束在大气湍流中不同传输距离的传输特性，包括光斑扩展、光斑扰动以及奇点变化等特性。实验结果表明，随着湍流传输距离的增加，光束会逐渐增大，光强分布发散并且减弱，奇点的位置也不稳定。进一步证明了LG光束比高斯光束传输稳定性好。
本发明的实验装置能够实现在外场实验中，研究LG光束在大气湍流中不同传输距离的传输特性。
本发明的实验装置光路易于调节，易于调整空间光的拓扑荷数，传输距离可根据实验平台任意调整，且光路简单、准直性好，并可同时采集多个光学信号。
本发明的实验装置在光通信、光学成像等领域有重要的实验指导意义。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特数据点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特数据点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于空间光在自由空间中传输的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：
可沿水平方向移动和沿竖直方向上下调节的第一实验平台(1)和第二实验平台(2)；
激光光源(3)，所述激光光源(3)设置于所述第一实验平台(1)上，用于发射激光光束；
光隔离器(4)，所述光隔离器(4)设置于所述第一实验平台(1)上，用于隔离所述激光光束，以免所述激光光束反射回所述激光光源(3)；
扩束准直元件(5)，所述扩束准直元件(5)设置于所述第一实验平台(1)上，用于对透过所述光隔离器(4)的所述激光光束进行扩束和准直处理，以得到第一光束；
螺旋相位片(6)，所述螺旋相位片(6)设置于所述第一实验平台(1)上，用于将所述第一光束转变为预设拓扑荷数的空间光；
发射天线(7)，所述发射天线(7)设置于所述第一实验平台(1)上，用于发射所述螺旋相位片(6)产生的空间光；
接收天线(8)，所述接收天线(8)设置于所述第二实验平台(2)上，用于接收所述发射天线(7)发射的进入大气湍流后的空间光。
2.根据权利要求1所述的基于空间光在自由空间中传输的实验装置，其特征在于，所述扩束准直元件(5)包括第一透镜(51)和第二透镜(52)，所述第一透镜(51)和所述第二透镜(52)沿所述第一光束的方向进行设置，所述第一透镜(51)沿靠近所述光隔离器(4)的方向进行设置，且所述第一透镜(51)的焦距小于所述第二透镜(52)的焦距。
3.根据权利要求1所述的基于空间光在自由空间中传输的实验装置，其特征在于，所述第一透镜(51)和所述第二透镜(52)均包括平凸透镜。
4.根据权利要求1所述的基于空间光在自由空间中传输的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：
第一反射镜(9)，所述第一反射镜(9)设置于所述第一实验平台(1)上，用于对经所述扩束准直元件(5)处理后得到的第一光束进行反射；
第二反射镜(10)，所述第二反射镜(10)设置于所述第一实验平台(1)上，用于对所述第一反射镜(9)反射的第一光束进行反射，以使所述第一光束进入所述螺旋相位片(6)。
5.根据权利要求4所述的基于空间光在自由空间中传输的实验装置，其特征在于，所述第一反射镜(9)和所述第二反射镜(10)分别设置于所述第一实验平台(1)的对角上。
6.根据权利要求1所述的基于空间光在自由空间中传输的实验装置，其特征在于，所述激光光源(3)包括He-Ne激光器。
7.根据权利要求1所述的基于空间光在自由空间中传输的实验装置，其特征在于，所述发射天线(7)和所述接收天线(8)均包括马卡天线。
8.根据权利要求1所述的基于空间光在自由空间中传输的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括分束镜(11)，所述分束镜(11)设置于所述第二实验平台(2)上，用于对所述接收天线(8)接收的空间光进行分束，以得到第一分束光束和第二分束光束。
9.根据权利要求8所述的基于空间光在自由空间中传输的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：
光束分析仪(12)，所述光束分析仪(12)设置于所述第二实验平台(2)上，用于采集所述第一分束光束的光斑强度和光场分布情况；
波前传感器(13)，所述波前传感器(13)设置于所述第二实验平台(2)上，用于采集所述第二分束光束的光场分布情况和波前状态。
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