CN115933164A - 一种基于空间频率复用的机械式光场调控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于空间频率复用的机械式光场调控方法及系统，涉及光通信领域，方法包括步骤：将多个目标空间光场分布一一对应的加载到不同的空间频率分布中，通过全息复用算法得到相位分布图，根据相位分布图制备相位控制面板；将电动可调光阑放置于相位控制面板后的傅里叶空间，并与所述空间频率的光信号对准；向相位控制面板照射单波长激光，通过调整电动可调光阑上通光孔的孔径的尺寸或者位置，实现激光在空间中的移动和扫描。本申请采用相位调制和机械式调控相结合的方式，相比于纯机械式调整的方法的优点为更便宜，相比于纯相位调制的方法的优点为调制速度更快，在保证光调制速度的同时，兼顾了整体器件成本较低。

Description

一种基于空间频率复用的机械式光场调控方法及系统

技术领域

本申请涉及光通信领域，具体涉及一种基于空间频率复用的机械式光场调控方法及系统。

背景技术

光场操控技术可以实现光在空间中的位置扫描，从而在激光雷达、无线光通信等领域具有重要的应用。光场操控技术在商业化应用中的关键为光场调制速度快且整体器件成本低。

目前，大部分的光场调制技术是基于光场波前(即相位分布)调制原理，例如使用相位调制液晶(如硅基液晶)、集成光波导相位调制器(如集成光芯片)等。但是基于硅基液晶的光束偏转控制方法的调制速度较慢。

相比之下，机械式的光场调控技术的调控速度更快，例如使用振动反射镜。但是微振动反射镜阵列，如MEMS，制备工艺复杂，价格昂贵。

发明内容

本申请实施例提供一种基于空间频率复用的机械式光场调控方法及系统，以解决相关技术中光场调制速度和整体器件成本不能同时兼顾的问题。

第一方面，提供了一种基于空间频率复用的机械式光场调控方法，包括步骤：

将多个目标空间光场分布一一对应的加载到不同的空间频率分布中，通过全息复用算法得到相位分布图，根据相位分布图制备相位控制面板；

将电动可调光阑放置于相位控制面板后的傅里叶空间，并与所述空间频率的光信号对准；

向相位控制面板照射单波长激光，通过调整电动可调光阑上通光孔的孔径的尺寸或者位置，实现激光在空间中的移动和扫描。

一些实施例中，多个目标空间光场分布是根据应用场景确定的光场需要扫描到的空间范围得到的。

一些实施例中，通过全息复用算法得到相位分布图包括：

提取多个目标空间光场分布的振幅，结合计算得到的第一空间光场分布的相位，通过反向空间光传播函数得到多个相位分布；

应用于一个目标空间光场分布的反向空间光传播函数只包含一种所述空间范围对应的空间频率；

所述第一空间光场根据正向空间光传播函数计算得到。

一些实施例中，所述正向空间光传播函数包括迭代的相位分布

根据

获得，正向空间光传播函数初始时采用随机相位分布。

另一方面，提供一种基于空间频率复用的机械式光场调控系统，包括：

光源组件，其用于提供单波长的激光；

相位控制面板，其用于根据目标空间光场分布产生对应的相位分布；所述相位控制面板是将多个目标空间光场分布一一对应的加载到不同的空间频率分布中，通过全息复用算法得到相位分布图，根据相位分布图制备得到的；

傅里叶透镜，数量为2个，两者之间形成傅里叶空间，傅里叶空间位于相位控制面板后；

电动可调光阑，其设置于所述傅里叶空间内，并与所述空间频率的光信号对准；用于通过调整通光孔的孔径的尺寸或者位置，实现激光在空间中的移动和扫描。

一些实施例中，所述光源组件包括：

激光器，其用于保持同一波长输出；

准直器，其用于将激光器发出的光调整到接近平面光；

线偏振片，其用于控制激光的偏振。

一些实施例中，所述激光器为单波长激光器；

或者，所述激光器采用多波长激光器结合滤光片的组合。

一些实施例中，2个所述傅里叶透镜中，邻近相位控制面板的傅里叶透镜为第一傅里叶透镜，第一傅里叶透镜用于将空间光学信号转换到傅里叶空间；所述电动可调光阑位于第一傅里叶透镜的焦平面处；

另一个傅里叶透镜为第二傅里叶透镜，其用于将傅里叶空间的光学信号转换为空间中的光场分布。

一些实施例中，所述相位控制面板采用硅基液晶空间光调制器、衍射光学元件或超表面。

一些实施例中，所述目标空间光场分布是根据应用场景确定的光场需要扫描到的空间范围得到的；

通过全息复用算法得到相位分布图包括：

提取多个目标空间光场分布的振幅，结合计算得到的第一空间光场分布的相位，通过反向空间光传播函数得到多个相位分布；

所述反向空间光传播函数只包含所述空间范围对应的空间频率；

所述第一空间光场根据正向空间光传播函数计算得到。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

将所需的光空间位置加载到不同的空间频率光信号中，制备相应的相位控制面板，在相位控制面板之后的傅里叶平面设置电动可变光阑，调整电动可变光阑通光孔的孔径的尺寸和位置，实现激光在空间中的移动和扫描。相位控制面板和电动可变光阑的采购价格较低，从而降低了光场调控系统的成本。同时，使用机械式移动的可变光阑，该移动可由常规电机控制，易于实现。本申请采用相位调制和机械式调控相结合的方式，相比于纯机械式调整的方法的优点为更便宜，相比于纯相位调制的方法的优点为调制速度更快，在保证光调制速度的同时，兼顾了整体器件成本较低的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于空间频率复用的机械式光场调控方法流程图；

图2为本发明实施例计算得到相位分布图的示意图；

图3为本发明实施例基于空间频率复用的机械式光场调控系统示意图。

附图标记：

1、激光器；2、准直器；3、线偏振片；4、相位控制面板；5、第一傅里叶透镜；6、电动可调光阑；7、第二傅里叶透镜。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提供了一种基于空间频率复用的机械式光场调控方法的实施例，通过相位控制面板将所需的光场空间位置加载到不同的空间频率区域中，该过程由电脑计算设计完成；电动可变光阑在相位控制面板之后的傅里叶平面处选择空间频率区域和范围，从而在这之后的自由空间中实现对光场的位置的操控。

如图1所示，基于空间频率复用的机械式光场调控方法包括：

S1.将多个目标空间光场分布一一对应的加载到不同的空间频率分布中，通过全息复用算法得到相位分布图，根据相位分布图制备相位控制面板。具体的，根据应用场景确定光场需要扫描到的空间范围，以此得到多个目标空间光场分布。全息复用算法基于常见的Gerchberg-Saxton算法。

S2.将电动可调光阑放置于相位控制面板后的傅里叶空间，并与所述空间频率的光信号对准。

S3.向相位控制面板照射单波长激光，通过调整电动可调光阑上通光孔的孔径的尺寸或者位置，实现激光在空间中的移动和扫描。

上述步骤S1中，通过计算得到相位分布图的过程可以在电脑上完成。如图2所示，具体计算过程如下：

提取多个目标空间光场分布的振幅(如图2中目标空间光场分布1、目标空间光场分布2……目标空间光场分布n)，结合计算得到的第一空间光场分布的相位，通过反向空间光传播函数得到多个相位分布，如图2中相位分布

相位分布

……相位分布

其中，应用于一个目标空间光场分布的反向空间光传播函数只包含一种步骤1中的空间范围对应的空间频率。并且，第一空间光场根据正向空间光传播函数计算得到，首次采用随机初始相位分布，之后根据

获得每次迭代的相位分布

相比于传统算法，上述计算中，使用空间光传播公式-角频谱方法(angularspectrum method)，并且对每一个目标空间光场分布只计算一部分独立的角频谱，从而使得每一个目标空间光场分布加载到傅里叶平面上的不同的空间频率中。因此，该算法可以使得只需要在傅里叶平面调整电动可调光阑上通光孔的位置，即可选择不同的空间频率，从而实现不同的空间光场分布之间的切换。

如图3所示，本申请还提供一种基于空间频率复用的机械式光场调控系统的实施例，可以单独实现，还可以用来实现上述方法。上述系统包括光源组件、相位控制面板4、2个傅里叶透镜和电动可调光阑6。

光源组件用于提供单波长的激光。具体的，光源组件包括激光器1、准直器2和线偏振片3，激光器1用于保持同一波长输出，波长可以为任意的波长，激光器1可以是单波长激光器，也可以采用多波长激光器结合滤光片的组合方式。准直器2设置在激光器1后面，用于将激光器发出的光调整到接近平面光，保证照射到相位控制面板4上的光近似于平面光。线偏振片3设置在准直器后面，用于控制激光的偏振。

相位控制面板4用于根据目标空间光场分布产生对应的相位分布，相位控制面板4是将多个目标空间光场分布一一对应的加载到不同的空间频率分布中，通过全息复用算法得到相位分布图，根据相位分布图预先制备得到的。

上述2个傅里叶透镜中，邻近相位控制面板4的傅里叶透镜为第一傅里叶透镜5，另一个傅里叶透镜为第二傅里叶透镜7，第一傅里叶透镜5和第二傅里叶透镜7之间形成傅里叶空间，傅里叶空间位于相位控制面板4后。第一傅里叶透镜5用于将空间光学信号转换到傅里叶空间，第二傅里叶透镜7用于将傅里叶空间的光学信号转换为空间中的光场分布。

电动可调光阑位6位于傅里叶空间内，且位于第一傅里叶透镜的焦平面处，即电动可调光阑位6与空间频率的光信号对准。电动可调光阑位6通光孔的孔径的尺寸或者位置可以由电机快速控制；通过调整通光孔的孔径的尺寸或者位置，实现激光在空间中的移动和扫描。根据透过电动可调光阑6的空间频率光信息的不同，第二傅里叶透镜7后面的光场的空间分布不同，从而达到操控光场传播方向的功能。

优选的，相位控制面板4可以采用硅基液晶空间光调制器、衍射光学元件或超表面(metasurface)等相位控制器件。

优选的，得到相位分布图的整体计算可以在电脑上实现，根据应用场景确定的光场需要扫描到的空间范围得到目标空间光场分布，提取多个目标空间光场分布的振幅，再结合计算得到的第一空间光场分布的相位，通过反向空间光传播函数得到多个相位分布。其中，应用于一个目标空间光场分布的反向空间光传播函数只包含一种空间范围对应的空间频率；第一空间光场根据正向空间光传播函数计算得到，正向空间光传播函数采用的相位通过

获得。

本申请使用相位调制和机械式调控相结合的方法，相比于纯机械式调整的方法的优点为更便宜，相比于纯相位调制的方法的优点为调制速度更快。

需要说明的是，在本申请中，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于空间频率复用的机械式光场调控方法，其特征在于，包括步骤：

将多个目标空间光场分布一一对应的加载到不同的空间频率分布中，通过全息复用算法得到相位分布图，根据相位分布图制备相位控制面板；

将电动可调光阑放置于相位控制面板后的傅里叶空间，并与所述空间频率的光信号对准；

向相位控制面板照射单波长激光，通过调整电动可调光阑上通光孔的孔径的尺寸或者位置，实现激光在空间中的移动和扫描。

2.如权利要求1所述的基于空间频率复用的机械式光场调控方法，其特征在于，多个目标空间光场分布是根据应用场景确定的光场需要扫描到的空间范围得到的。

3.如权利要求2所述的基于空间频率复用的机械式光场调控方法，其特征在于，通过全息复用算法得到相位分布图包括：

提取多个目标空间光场分布的振幅，结合计算得到的第一空间光场分布的相位，通过反向空间光传播函数得到多个相位分布；

应用于一个目标空间光场分布的反向空间光传播函数只包含一种所述空间范围对应的空间频率；

所述第一空间光场根据正向空间光传播函数计算得到。

4.如权利要求3所述的基于空间频率复用的机械式光场调控方法，其特征在于，所述正向空间光传播函数包括迭代的相位分布

根据

获得，正向空间光传播函数初始时采用随机相位分布。

5.一种基于空间频率复用的机械式光场调控系统，其特征在于，包括：

光源组件，其用于提供单波长的激光；

相位控制面板，其用于根据目标空间光场分布产生对应的相位分布；所述相位控制面板是将多个目标空间光场分布一一对应的加载到不同的空间频率分布中，通过全息复用算法得到相位分布图，根据相位分布图制备得到的；

傅里叶透镜，数量为2个，两者之间形成傅里叶空间，傅里叶空间位于相位控制面板后；

电动可调光阑，其设置于所述傅里叶空间内，并与所述空间频率的光信号对准；用于通过调整通光孔的孔径的尺寸或者位置，实现激光在空间中的移动和扫描。

6.如权利要求5所述的基于空间频率复用的机械式光场调控系统，其特征在于，所述光源组件包括：

激光器，其用于保持同一波长输出；

准直器，其用于将激光器发出的光调整到接近平面光；

线偏振片，其用于控制激光的偏振。

7.如权利要求6所述的基于空间频率复用的机械式光场调控系统，其特征在于，所述激光器为单波长激光器；

或者，所述激光器采用多波长激光器结合滤光片的组合。

8.如权利要求5所述的基于空间频率复用的机械式光场调控系统，其特征在于，2个所述傅里叶透镜中，邻近相位控制面板的傅里叶透镜为第一傅里叶透镜，第一傅里叶透镜用于将空间光学信号转换到傅里叶空间；所述电动可调光阑位于第一傅里叶透镜的焦平面处；

另一个傅里叶透镜为第二傅里叶透镜，其用于将傅里叶空间的光学信号转换为空间中的光场分布。

9.如权利要求5所述的基于空间频率复用的机械式光场调控系统，其特征在于，所述相位控制面板采用硅基液晶空间光调制器、衍射光学元件或超表面。

10.如权利要求5所述的基于空间频率复用的机械式光场调控系统，其特征在于，所述目标空间光场分布是根据应用场景确定的光场需要扫描到的空间范围得到的；

通过全息复用算法得到相位分布图包括：

提取多个目标空间光场分布的振幅，结合计算得到的第一空间光场分布的相位，通过反向空间光传播函数得到多个相位分布；

所述反向空间光传播函数只包含所述空间范围对应的空间频率；

所述第一空间光场根据正向空间光传播函数计算得到。

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