本發(fā)明涉及通信技術(shù)，特別涉及一種具有軌道角動量態(tài)的渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)方法。

背景技術(shù)：

渦旋光束是具有螺旋型波前和相位奇點(diǎn)的一種特殊光場，相位奇點(diǎn)是指光場中那些相位不確定的地方，由于自身的干涉相消，光束中心強(qiáng)度為零，是一種暗中空的光束。光學(xué)渦旋場的暗中空特性以及軌道角動量與物質(zhì)的相互作用，使其在光學(xué)微操縱、原子光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、非線性光學(xué)、光學(xué)信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。渦旋光束具有除光強(qiáng)、頻率、偏振外的一個新的自由度，即軌道角動量。光束軌道角動量數(shù)理論上是無限多的且不同的軌道角動量態(tài)之間具有正交性，則將軌道角動量這一全新電磁波資源用于光通信的復(fù)用傳輸可以大幅提高光通信容量。為此，用于光通信的渦旋光束的產(chǎn)生和探測技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。

渦旋光束在信道中傳輸時由于收發(fā)裝置之間的不對準(zhǔn)，會造成接收端光束與探測器之間出現(xiàn)對準(zhǔn)偏差，產(chǎn)生橫向位移或角向傾斜，致使軌道角動量態(tài)彌散，使得發(fā)射態(tài)在接收端不能被成功探測，嚴(yán)重影響了通信系統(tǒng)的性能。所以研究渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)是很必要的，具有很大的實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有軌道角動量的渦旋光束實(shí)時對 準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接對帶有軌道角動量的渦旋光束進(jìn)行探測并實(shí)時對準(zhǔn),結(jié)構(gòu)清晰，有很大的應(yīng)用價(jià)值。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種具有軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)的渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)方法，用于直接對帶有軌道角動量的渦旋光束進(jìn)行探測并實(shí)時對準(zhǔn)，其特征在于，該系統(tǒng)包括：OAM譜探測裝置、渦旋光束對準(zhǔn)裝置：

所述OAM譜探測裝置由可調(diào)諧空間光調(diào)制器、會聚透鏡、電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，用于分析接收光束中不同OAM態(tài)所占比例，計(jì)算OAM譜；

所述渦旋光束對準(zhǔn)裝置是由驅(qū)動控制器和對準(zhǔn)伺服系統(tǒng)構(gòu)成，用于對接收裝置進(jìn)行對準(zhǔn)。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的OAM渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述OAM譜探測裝置包括：

可調(diào)諧空間光調(diào)制器，會聚透鏡，CCD，計(jì)算機(jī)。

可調(diào)諧空間光調(diào)制器是本系統(tǒng)的核心器件，其可通過計(jì)算機(jī)加載不同的螺旋相位信息，主要完成渦旋光束OAM態(tài)識別的任務(wù)。會聚透鏡將通過空間光調(diào)制器的光束會聚投射到CCD表面。CCD用來對入射光強(qiáng)進(jìn)行探測，把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)計(jì)算數(shù)字圖像信號的能量總和，得到OAM譜、OAM態(tài)平均值和彌散程度等，進(jìn)而得到驅(qū)動控制器所需的對準(zhǔn)數(shù)據(jù)，傳遞給驅(qū)動控制器。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的OAM渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述渦旋光束對準(zhǔn)裝置包括：

驅(qū)動控制器：用于接收計(jì)算機(jī)傳來的對準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合校準(zhǔn)驅(qū)動算法，生成對準(zhǔn)指令用來驅(qū)動伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)：根據(jù)驅(qū)動控制器傳來的對準(zhǔn)指令，控制接收裝置的移動來進(jìn)行光束的實(shí)時對準(zhǔn)。

一種OAM渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括：

A.渦旋光束經(jīng)過信道傳輸后，進(jìn)入到渦旋光束探測裝置，被可調(diào)諧空間光調(diào)制器去渦旋，經(jīng)過會聚透鏡會聚，將接收到的光束呈現(xiàn)在CCD上，CCD將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過對CCD的圖像進(jìn)行處理，得到對準(zhǔn)所需的OAM譜及彌散程度，依據(jù)OAM譜的分布特點(diǎn)及彌散程度與偏移類型(橫向位移和角向傾斜)的關(guān)系，制定對準(zhǔn)策略；

B.驅(qū)動控制器接收來自計(jì)算機(jī)的對準(zhǔn)數(shù)據(jù)，結(jié)合特有的驅(qū)動算法，生成對準(zhǔn)指令用來驅(qū)動伺服系統(tǒng)對光束進(jìn)行實(shí)時對準(zhǔn)。

根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟A所述OAM譜探測裝置的實(shí)現(xiàn)方案包括：

A1、產(chǎn)生的渦旋光束經(jīng)過信道傳輸，在接收端經(jīng)過可調(diào)諧的空間光調(diào)制器處理，將光束中各個OAM態(tài)分別轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的高斯光束；

A2、轉(zhuǎn)換而來的高斯光束經(jīng)過會聚透鏡會聚照射在CCD上進(jìn)行探測，CCD將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對CCD傳來的OAM譜進(jìn)行處理，得到對準(zhǔn)所需軌道OAM譜的 平均值和彌散程度其中m是OAM的拓?fù)浜蓴?shù)，P_m表示偏移光束中拓?fù)浜蓴?shù)為m的OAM態(tài)的功率占總功率的比值，P_m～m即為OAM譜。當(dāng)光束對準(zhǔn)時V＝0，當(dāng)光束發(fā)生偏移時V＞0。

根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟B所述渦旋光束對準(zhǔn)裝置的實(shí)現(xiàn)方案包括：

B1、首先判斷OAM平均值是否等于發(fā)射態(tài)拓?fù)浜蓴?shù)，如果是，那么說明不存在橫向位移。如果不是，那說明光束一定發(fā)生了橫向位移，需要先對橫向位置進(jìn)行調(diào)整，一直調(diào)到和發(fā)射態(tài)拓?fù)浜蓴?shù)相等為止。再看彌散程度V是否接近零，如果是那說明光束未發(fā)生角向傾斜或角向傾斜很小；如果彌散程度值V比較大，那說明光束發(fā)生了角向傾斜，需要對接收裝置進(jìn)行角向調(diào)整。

B2、在對橫向位移進(jìn)行調(diào)整時，調(diào)整坐標(biāo)軸為x和y軸。以x軸調(diào)整為例來說明驅(qū)動控制器控制伺服系統(tǒng)校準(zhǔn)算法的實(shí)現(xiàn)原理，y軸調(diào)整與此相似，這里就不再贅述。設(shè)某次調(diào)整前的OAM譜的平均值為調(diào)整量為Δx，調(diào)整后計(jì)算所得的螺旋譜平均值為如果 說明調(diào)整方向正確，繼續(xù)向之前的調(diào)整方向進(jìn)行調(diào)整，如果說明調(diào)整方向不正確，則需要把調(diào)整位置復(fù)位，之后向相反方向調(diào)整，直到計(jì)算所得的螺旋譜平均值達(dá)到最大值，則x軸方向調(diào)整完畢。

B3、在對角向進(jìn)行調(diào)整時，調(diào)整坐標(biāo)軸為γ和η軸，驅(qū)動控制器控制伺服系統(tǒng)校準(zhǔn)算法以γ軸調(diào)整為例來說明，η軸調(diào)整與此相似， 這里就不再贅述。設(shè)某次調(diào)整前的彌散程度為V_i，調(diào)整量為Δγ，調(diào)整后計(jì)算所得的彌散程度為V_i+1，比較調(diào)整前后的彌散程度，如果V_i+1＜V_i，說明調(diào)整方向正確，繼續(xù)向之前的調(diào)整方向進(jìn)行調(diào)整，如果V_i+1＞V_i，說明調(diào)整方向不正確，則需要把調(diào)整位置復(fù)位，之后向相反方向調(diào)整，直到計(jì)算所得的彌散程度達(dá)到最小值，則γ軸方向調(diào)整完畢。

由上述的技術(shù)方案可見，本發(fā)明提供一種具有軌道角動量的渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接以渦旋光束為參照進(jìn)行對準(zhǔn)，更能滿足實(shí)際信息傳輸系統(tǒng)的要求，提高了精確性，并且能夠進(jìn)行實(shí)時的調(diào)整，很大程度上抑制了信道不穩(wěn)定性造成的光束抖動，結(jié)構(gòu)清晰，有很大的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種具有軌道角動量的渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一種具有軌道角動量的渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)的流程圖。

具體實(shí)施方法

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供了一種具有軌道角動量態(tài)的渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)和方法，渦旋光束發(fā)射裝置產(chǎn)生系統(tǒng)所需渦旋光束，并發(fā)射進(jìn)信道進(jìn)行傳輸；渦旋光束經(jīng)過信道傳輸后，進(jìn)入到OAM探測裝置，被可調(diào) 諧空間光調(diào)制器接收，經(jīng)過會聚透鏡會聚，將接收到的光束光強(qiáng)呈現(xiàn)在CCD上，CCD通過對圖像進(jìn)行處理，將圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，發(fā)送給計(jì)算機(jī)。最后到達(dá)OAM光束對準(zhǔn)裝置，通過計(jì)算機(jī)對CCD傳來的圖像信息進(jìn)行計(jì)算，得到對準(zhǔn)所需的軌道角動量譜及彌散程度，依據(jù)軌道角動量譜的分布特點(diǎn)及彌散程度與偏移類型的關(guān)系，再結(jié)合驅(qū)動控制器特有的驅(qū)動算法，通過控制伺服系統(tǒng)對光束進(jìn)行實(shí)時對準(zhǔn)。

圖1為本發(fā)明基于一種具有軌道角動量態(tài)的渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。現(xiàn)結(jié)合圖1，對本發(fā)明具有軌道角動量態(tài)的渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行說明，具體如下：

本發(fā)明一種軌道角動量態(tài)可調(diào)諧的渦旋光束產(chǎn)生系統(tǒng)包括：OAM探測裝置10、OAM對準(zhǔn)裝置11。

OAM探測裝置10用于分析接收到的光束的OAM態(tài)成分，通過CCD將接收到的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號，傳遞給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)渦旋光束的探測；

OAM對準(zhǔn)裝置11通過計(jì)算機(jī)對CCD上探測到的數(shù)字圖像信息進(jìn)行計(jì)算，得到對準(zhǔn)所需的軌道角動量譜及彌散程度，依據(jù)軌道角動量譜的分布特點(diǎn)及彌散程度與偏移類型的關(guān)系，制定對準(zhǔn)策略，再結(jié)合驅(qū)動控制器特有的驅(qū)動算法，對光束進(jìn)行實(shí)時對準(zhǔn)。

其中OAM探測裝置10包括可調(diào)諧空間光調(diào)制器100，會聚透鏡101，CCD102，計(jì)算機(jī)103。

可調(diào)諧空間光調(diào)制器100，將接收到的渦旋光束的不同OAM態(tài) 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的高斯光束，用于識別OAM成分。

會聚透鏡101用于轉(zhuǎn)換而來的高斯光束經(jīng)過會聚透鏡會聚照射在CCD上。

CCD102用于對接收到的光束進(jìn)行成像，并對光強(qiáng)進(jìn)行處理，將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字圖像信號。

計(jì)算機(jī)103用于對CCD傳來的圖像信息進(jìn)行處理，得到對準(zhǔn)所需的軌道角動量譜及彌散程度，依據(jù)軌道角動量譜的分布特點(diǎn)及彌散程度與偏移類型的關(guān)系，得到對準(zhǔn)策略。

OAM對準(zhǔn)裝置11包括驅(qū)動控制器110，對準(zhǔn)伺服系統(tǒng)111。

驅(qū)動控制器110，通過特有的驅(qū)動算法，控制伺服系統(tǒng)對光束進(jìn)行實(shí)時對準(zhǔn)；

對準(zhǔn)伺服系統(tǒng)111，用于對光束和接收裝置進(jìn)行對準(zhǔn)調(diào)整。

圖2為本發(fā)明具有軌道角動量的渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)方法的流程圖。現(xiàn)結(jié)合圖2，對本發(fā)明軌道角動量的渦旋光束實(shí)時對準(zhǔn)系統(tǒng)方法進(jìn)程進(jìn)行說明，具體如下：

步驟201：渦旋光束發(fā)射裝置產(chǎn)生系統(tǒng)所需的渦旋光束，并發(fā)射進(jìn)信道進(jìn)行傳輸；

步驟202：經(jīng)過信道傳輸?shù)臏u旋光束在接收端被探測，接收裝置中的可調(diào)諧空間光調(diào)制器通過為接收到的光束附加與各接收態(tài)相反的OAM態(tài)來去渦旋，將接收光束中所需的OAM態(tài)以光斑的形式呈現(xiàn)在CCD上，，CCD通過對光強(qiáng)進(jìn)行處理，將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，傳遞給計(jì)算機(jī)；

步驟203：通過計(jì)算機(jī)對數(shù)字圖像信息進(jìn)行處理，得到OAM譜和彌散程度。依據(jù)軌道角動量譜的分布特點(diǎn)及彌散程度與偏移類型的關(guān)系，得到偏移調(diào)整策略；

在該步驟中，調(diào)整策略的方法包括：

2031:計(jì)算機(jī)對CCD傳來的軌道角動量譜進(jìn)行處理，得到對準(zhǔn)所需軌道角動量譜的平均值和彌散程度V。

2032:首先判斷軌道角動量平均值是否等于發(fā)射態(tài)拓?fù)浜蓴?shù)，如果是，那么說明不存在橫向位移。如果不是，那說明光束一定發(fā)生了橫向位移，需要先對橫向位置進(jìn)行調(diào)整，一直調(diào)到相等為止。再看彌散程度是否接近零，如果是那說明光束未發(fā)生角向傾斜或角向傾斜很小；如果彌散程度值比較大，那說明光束發(fā)生了角向傾斜，需要對角向進(jìn)行調(diào)整。

步驟204：結(jié)合驅(qū)動控制器特有的驅(qū)動算法，通過控制伺服系統(tǒng)調(diào)整接收裝置，對光束進(jìn)行對準(zhǔn)。

在該步驟中，驅(qū)動算法包括：

2041：在對橫向位移進(jìn)行調(diào)整時，調(diào)整坐標(biāo)軸為x和y軸。以x軸調(diào)整為例來說明驅(qū)動控制器控制伺服系統(tǒng)校準(zhǔn)算法的實(shí)現(xiàn)原理，y軸調(diào)整與此相似，這里就不再贅述。設(shè)某次調(diào)整前的OAM譜的平均值為調(diào)整量為Δx，調(diào)整后計(jì)算所得的螺旋譜平均值為如果 說明調(diào)整方向正確，繼續(xù)向之前的調(diào)整方向進(jìn)行調(diào)整，如果說明調(diào)整方向不正確，則需要把調(diào)整位置復(fù)位，之后向相反方向調(diào)整，直到計(jì)算所得的螺旋譜平均值達(dá)到最大 值，則x軸方向調(diào)整完畢。

2042：在對角向進(jìn)行調(diào)整時，調(diào)整坐標(biāo)軸為γ和η軸，驅(qū)動控制器控制伺服系統(tǒng)校準(zhǔn)算法以γ軸調(diào)整為例來說明，η軸調(diào)整與此相似，這里就不再贅述。設(shè)某次調(diào)整前的彌散程度為V_i，調(diào)整量為Δγ，調(diào)整后計(jì)算所得的彌散程度為V_i+1，比較調(diào)整前后的彌散程度，如果V_i+1＜V_i，說明調(diào)整方向正確，繼續(xù)向之前的調(diào)整方向進(jìn)行調(diào)整，如果V_i+1＞V_i，說明調(diào)整方向不正確，則需要把調(diào)整位置復(fù)位，之后向相反方向調(diào)整，直到計(jì)算所得的彌散程度達(dá)到最小值，則γ軸方向調(diào)整完畢。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍。