CN212229350U

CN212229350U - 一种厄米非均匀关联光束的产生装置

Info

Publication number: CN212229350U
Application number: CN202021552362.9U
Authority: CN
Inventors: 余佳益; 林蓉; 刘永雷; 高雅茹; 蔡阳健
Original assignee: Shandong Normal University
Current assignee: Shandong Normal University
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2030-07-30

Abstract

本公开提供了一种厄米非均匀关联光束的产生装置，包括依次设置的光源、光束扩展仪、线偏振片、空间光调制器、第一圆孔、第一透镜、第二圆孔、第二透镜和高斯振幅滤波片；经过光束扩展仪扩束后穿过线偏振片的光束照到空间光调制器上的全息图上，第一圆孔选择全息图的一级衍射图样，从第一圆孔出来的光经过第一透镜，经过用于移除额外光线的第二圆孔后，通过第二透镜和高斯振幅滤波片后得到厄米非均匀关联光束；本公开通过将相位序列图以随机动画的形式加载到空间光调制器中，得到了稳定和准确的厄米非均匀关联光束，其结构和方法简单，所产生的光束不仅具有较低的闪烁，且具有较高的强度，为自由空间通信的通信载体提供了绝佳的选择。

Description

一种厄米非均匀关联光束的产生装置

技术领域

本公开涉及光学技术领域，特别涉及一种厄米非均匀关联光束的产生装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

激光束在大气湍流中传播时，由于折射率的随机变化，会产生光束过度扩展、光束漂移、闪烁(即强度波动)和入射角起伏等不利影响。闪烁作为大气湍流的主要限制因素之一，限制了激光雷达、遥感和自由空间光通信系统的性能。相比于完全相干激光束，部分相干光束具有更低的光强闪烁，然而这是以牺牲光强强度为代价的。当激光束用于自由空间光通信时，既需要高平均接收强度又需要低光强闪烁。庆幸的是，具有非均匀关联结构的部分相干光束展现自聚焦传输特性，所以它在接收端不仅具有较低的光强闪烁，而且在传输过程中具有较高的光强强度，因此非均匀关联光束的产生将在自由空间光通信中发挥巨大的作用。

本公开发明人发现，目前产生非均匀关联光束的实验研究，包括以下几种：第一种为利用模式展开方法，其具有一定的局限性，比如其产生的相干模式局限于单模光纤的数量以及空间光调制器的硬件参数，并且对于空间光调制器上加载的全息片的设计要求苛刻等原因，其实际应用价值受到影响；第二种为利用随机相位屏去产生非均匀关联光束的方法，但是这种方法缺少灵活性，不能产生任意的非均匀关联光束，并且随机相位屏方法系统复杂，计算过程繁琐，需要很长的计算时间；第三种为利用伪模叠加的方法，但是其实验结果并不特别理想，无法得到稳定和准确的非均匀关联光束。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种厄米非均匀关联光束的产生装置，通过将相位序列图以随机动画的形式加载到空间光调制器中，得到了稳定和准确的厄米非均匀关联光束，其结构和方法简单，所产生的光束在大气湍流中不仅具有较低的光强闪烁，且具有较高的光强强度，为自由空间光通信提供了绝佳的通信载体选择。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种厄米非均匀关联光束的产生装置。

一种厄米非均匀关联光束的产生装置，包括依次设置的光源、光束扩展仪、线偏振片、空间光调制器、第一选择元件、第一透镜、第二选择元件、第二透镜和高斯振幅滤波片；

经过光束扩展仪扩束后穿过线偏振片的光束照到空间光调制器上的全息图上，第一圆孔选择全息图的一级衍射图样，从第一选择元件出来的光经过第一透镜，经过用于移除额外光线的第二选择元件后，通过第二透镜和高斯振幅滤波片后得到厄米非均匀关联光束。

作为可能的一些实现方式，所述第一透镜和第二透镜组成4f光学系统。

作为可能的一些实现方式，所述高斯振幅滤波片后侧的观察平面上设有CCD相机，被配置为记录不同模式下的厄米非均匀关联光束在不同位置以及不同传输距离处的光强分布。

作为可能的一些实现方式，所述光源为氦氖激光器。

作为可能的一些实现方式，光束扩展仪扩束后的光斑能够覆盖空间光调制器上的全息图。

作为可能的一些实现方式，所述空间光调制器与计算机终端连接，且所述空间光调制器采用计算机全息法设计的相位光栅。

作为可能的一些实现方式，计算机终端产生预设数量并且以预设概率分布的全息图，空间光调制器将全息图以一定频率播放。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的装置，通过将相位序列图以随机动画的形式加载到空间光调制器中，得到了稳定和准确的厄米非均匀关联光束，其结构和方法简单，所产生的光束不仅具有较低的闪烁，且具有较高的强度，为自由空间通信的通信载体提供了绝佳的选择。

2、本公开所述的装置，利用圆孔选择全息图的一级衍射图样，接着从第一圆孔出来的光再经过薄透镜，然后经过用于移除额外光线的第二圆孔，然后再通过准直透镜和高斯振幅滤波片得到最终的厄米非均匀关联光束，极大的提高了生成的光束的准确性，有效的去除了干扰光的影响。

3、本公开所述的装置，实现频率快，实现效果理想，通过空间光调制器加载变化的全息图，使后续得到的光强为不同模式连续变化的光束，提高了生成的非均匀关联光束的质量；而且全息图按照一定的概率在空间光调制器上播放，每一张的播放时间都是相同的，进一步的提高了生成质量。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1提供的厄米非均匀关联光束的产生装置的结构示意图。

1、氦氖激光器；2、光束扩展仪；3、线偏振片；4、空间光调制器；5、第一圆孔；6、薄透镜；7、第二圆孔；8、准直透镜；9、高斯振幅滤波片；10、CCD相机；11、计算机终端。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本公开实施例1提供了一种厄米非均匀关联光束的产生装置，包括氦氖激光器1、光束扩展仪2、线偏振片3、空间光调制器4、第一圆孔5(CA₁)、薄透镜6(L₁)、第二圆孔7(CA₂)、准直透镜8(L₂)、高斯振幅滤波片9(GAF)、CCD相机10和计算机终端11。

装置的工作方式为：一束从氦氖激光器出来的单色激光束，经过一个光束扩展仪(BE)，然后经过一个线偏振片(LP)，然后再经过一个空间光调制器(SLM)，SLM是一个用计算机全息法设计的相位光栅；

然后用第一圆孔(CA₁)选择全息图的一级衍射图样，接着从CA₁出来的光再经过薄透镜(L₁)，然后经过用于移除额外光线的第二圆孔CA₂，然后再通过准直透镜(L₂)和高斯振幅滤波片(GAF)，在GAF之后就产生了厄米非均匀关联(HNUC)光束；

然后用CCD相机就可以捕获HNUC光束在不同位置以及不同传输距离处的光强分布。

由于SLM后的不同衍射级次的光斑不能直接分离，所以用L₁和L₂组成的一个4f成像系统来获得纯一级衍射光斑。

图1中，计算机PC1(左)镶嵌图是几种不同模式的相位光栅图案之一，计算机PC2(右)镶嵌图是实验结果图。

在空间频率域，部分相干光束用交叉谱表征，

其中，

分别为横截面上的任意两个位置坐标。

要成为物理上可实现的光束，交叉谱密度必须满足非负定义核：

其中，p(v)为一非负函数，

为一任意核函数。

当p(v)和

分别为以下形式时，可产生HNUC光束，

将(3)式和(4)式代入(2)式，可得HNUC光束的交叉谱密度为：

其中，r_c＝(2/ka)^1/2，w₀代表初始光斑宽度。

根据菲涅尔衍射积分，在自由空间传输到任意z平面处的交叉谱密度为：

其中，

是传播面的任意两个坐标矢量，z是传播距离，λ是光波长，k是波数，i是虚数单位

可以将

表示为以下形式：

任意一点的光强为：

基于以上理论基础分析，在实际操作中，为了实验中产生厄米非均匀关联光束，将公式(2)中对v的积分离散化，用一个有限集合有效地取代了不相干模式的连续分布，因为已经证实伪模展开可以很好地逼近精确积分，即使模数相对较少。用离散的形式，交叉谱密度矩阵的矩阵元可表示为：

所以，在任意z平面

点处的光强可以表示为以下形式：

其中，N是伪模式数量，在区间|v|≤4a内采样，并且采样间隔为Δv＝2a/25，本实施例中取了101个模式，在计算机终端中合成了101个相位图，并以随机动画序列将它们加载到SLM中，其中每个伪模式出现的概率p(v)由公式(5)决定。

加载到SLM的相位模式序列的平均每秒帧数(fps)约为15s^-1，低于最大SLM刷新速率60Hz。然后我们通过对CCD相机捕获的伪模图像序列进行平均，得到了HNUC光束的强度，本实施例实验中使用的图像数量为1000幅。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种厄米非均匀关联光束的产生装置，其特征在于，包括依次设置的光源、光束扩展仪、线偏振片、空间光调制器、第一选择元件、第一透镜、第二选择元件、第二透镜和高斯振幅滤波片；

2.如权利要求1所述的厄米非均匀关联光束的产生装置，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜组成4f光学系统。

3.如权利要求1所述的厄米非均匀关联光束的产生装置，其特征在于，所述高斯振幅滤波片后侧的观察平面上设有CCD相机，被配置为记录不同模式下的厄米非均匀关联光束在不同位置以及不同传输距离处的光强分布。

4.如权利要求1所述的厄米非均匀关联光束的产生装置，其特征在于，所述光源为氦氖激光器。

5.如权利要求1所述的厄米非均匀关联光束的产生装置，其特征在于，光束扩展仪扩束后的光斑能够覆盖空间光调制器上的全息图。

6.如权利要求1所述的厄米非均匀关联光束的产生装置，其特征在于，所述空间光调制器与计算机终端连接。

7.如权利要求6所述的厄米非均匀关联光束的产生装置，其特征在于，所述空间光调制器为采用计算机全息法设计的相位光栅。

8.如权利要求1所述的厄米非均匀关联光束的产生装置，其特征在于，所述第一选择元件和第二选择元件均为圆孔。

9.如权利要求1所述的厄米非均匀关联光束的产生装置，其特征在于，所述第一透镜为薄透镜。

10.如权利要求1所述的厄米非均匀关联光束的产生装置，其特征在于，所述第二透镜为准直透镜。