光電子學與激光技術

基于液晶空間光調制器的光柵型波前曲率傳感器

陳波，楊靖，李新陽

摘要：目的：基于散焦光柵的曲率型波前傳感器，具有全光學實現、結構緊湊、同步測量等特點。考慮到液晶空間調制器（LC-SLM）的相位調制具有可編程控制的特點，本文提出利用LC-SLM實現光柵型波前曲率傳感器的方法，以及基于拉普拉斯算子本征函數的閉環式波前復原方法。方法：給LC-SLM加載一定的控制信號，使其成為一個離軸菲涅耳波帶片（FZP），然后在其后面放置一個短距焦的聚焦透鏡，這樣入射光束依次經過LC-SLM和透鏡后，位于透鏡焦平面處的光電探測器就能夠探測到透鏡焦點前后對稱離焦面上的光強。根據波前曲率傳感器的基本原理，前后離焦面上歸一化的光強差和波前曲率以及波前沿光瞳邊界法向微分之間的關系是Neumann邊界條件下的泊松方程。利用基于拉普拉斯算子本征函數對該方程進行求解，即可復原出入射光的波前信息。得益于LC-SLM的相位調制可編程特性，基于 LC-SLM 的波前曲率傳感器不僅可以動態調整其參數，而且能夠采用閉環迭代的方式進行波前復原。結果：建立了一個傳感器數值仿真模型，其中采用通光直徑為0.01 m、像素數為256×256的LC-SLM實現離軸量為0.008 m、焦距等于3米的FZP，短焦透鏡的焦距為0.1 m。利用40階本征函數構建復原矩陣，選取其中第15階模式作為入射波前相位進行復原。可以得出，當第 15階模式系數為 1時，采用開環方法（即一次迭代）就能夠實現高精度復原；隨著該模式系數的增大，即待測波前相位幅度的增大，開環復原的精度顯著降低；而閉環迭代復原方法可顯著提高復原精度。利用前20階本征函數構建復原矩陣，分別對利用前20階本征函數和全部40階本征函數隨機產生的波前相位進行閉環復原，當復原矩陣的模式數量大于或等于待測波前相位的模式數量時，閉環復原方法具有非常高的精度；當復原矩陣的模式數量小于待測波前相位的模式數量時，會出現模式耦合現象，導致波前復原精度降低；但是模式耦合對閉環迭代算法的穩定性影響很小。大氣湍流波前擾動復原的實驗進一步表明模式耦合不會影響閉環波前復原的穩定性。結論：由于LC-SLM的相位調制能夠編程控制，基于其實現的相位型光柵波前曲率傳感器，不僅能夠方便地調整參數，而且可以采用閉環迭代的方式進行波前復原。與開環復原方法相比，閉環迭代方法具有更高的復原精度和更大的測量范圍。當復原矩陣的模式少于待測相位的模式時，會出現模式耦合，但是不影響閉環復原方法的穩定性。

來源出版物：激光與光電子學進展，2015，52(8):082301

入選年份：2017

軌道角動量模式在柚子型微結構光纖中的傳輸

喬文，高社成，雷霆，等

摘要：目的：軌道角動量（OAM）作為一種新的數據信息載體，是屬于光的波長、強度和偏振之外的另一種重要的光學特征，在光學顯微成像、粒子捕獲和光通信等方面的研究中得到廣泛的關注。在光通信研究方面，OAM為光束的復用提供了一個全新的自由度，并已經在自由空間光通信中取得了一些重要進展，但OAM在光纖中穩定傳輸還有很多技術瓶頸需要突破。本文提出了一種能夠傳輸OAM模式的柚子型微結構光纖（MOF），并結合理論分析，在實驗中進行驗證。方法：在OAM光纖通信系統中，支持OAM模式傳輸的光纖是一種關鍵器件。為了支持OAM模式在光纖中穩定傳輸，OAM光纖必須具有高的有效折射率差，才能避免光纖中各矢量本征模式間的相互耦合和簡并。我們提出的這種 MOF纖芯周圍存在一層直徑為3 μm的柚子型空氣孔，由于空氣孔與光纖纖芯之間存較大的折射率差，傳輸的光被局限在纖芯中，從而形成穩定的傳輸模式。本文研究由理論模式分析和實驗驗證兩部分內容。（1）通過有限元法對光纖中的矢量本征模式進行模擬，得到了模式的有效折射率和模場分布，由奇數和偶數矢量模式的疊加計算出MOF可支持傳輸的OAM模式。（2）搭建的OAM模式在MOF中傳輸的實驗系統，該實驗系統分為OAM模式的產生，OAM模式在MOF中的傳輸和OAM模式的檢測3個部分。（3）實驗產生部分采用波長為632.8 nm的氦氖激光器入射空間光調制器（SLM）上分別產生單個線偏振的+1階或-1階OAM模式，再利用一個四分之一波片將線偏振的OAM模式轉換為圓偏振模式。（4）實驗傳輸部分，入射進MOF的OAM模式是圓偏振態，MOF需自然伸直，可避免過度彎曲給實驗結果帶來影響。（5）實驗檢測部分是利用SLM加載特殊設計的光學旋渦達曼光柵（DOVGs)，將MOF出射后的光束入射在DOVGs上，對在MOF中傳輸1 m后的OAM模式進行解調，觀察解調后的實驗現象，驗證MOF可支持OAM模式的傳輸。結果：在630 nm波長范圍附近對MOF中的傳輸模式進行求解后，得到包括TM、TE和其他混雜模式在內的 12個矢量本征模式，發現光纖中的各矢量本征模式間存在10-2以上的高有效折射率差，遠大于引起光纖中模式間串擾的有效折射率差閾值 1.8×10-4，綜合OAM的拓撲荷正負和OAM左右旋偏振態性質，得出在理論上MOF最多可以支持10個OAM模式傳輸。在實驗中利用特殊設計的 DOVGs對在光纖中傳輸1 m后的OAM1，1和OAM-1，1模式進行解調，當l＝1的OAM模式入射在DOVGs的+1級時，通過光柵衍射后在它對應的-1級處會出現一個OAM模式還原點，表現為一個拓撲荷l＝0的高斯亮點。將經過MOF傳輸后OAM模式，入射在DOVGs上得到解調后的OAM模式以及所對應的還原點。結論：本文提出并研究了一種MOF的OAM模式傳輸特性，結合理論分析，通過實驗進行驗證。MOF纖芯周圍柚子型空氣孔的存在，導致光纖中各矢量本征模式間有很大的有效折射率差，通過有限元法模擬計算得到各本征矢量模式間的有效折射率差達到10-2以上，這種高的有效折射率差可以有效抑制光纖中模式串擾。在實驗上利用特殊設計的DOVGs對經過MOF傳輸的OAM模式進行驗證，證明這種MOF可以傳輸±1階的OAM模式。

來源出版物：中國激光，2017，44(4):0406002

入選年份：2017