光电子学与激光技术

基于液晶空间光调制器的光栅型波前曲率传感器

陈波，杨靖，李新阳

摘要：目的：基于散焦光栅的曲率型波前传感器，具有全光学实现、结构紧凑、同步测量等特点。考虑到液晶空间调制器（LC-SLM）的相位调制具有可编程控制的特点，本文提出利用LC-SLM实现光栅型波前曲率传感器的方法，以及基于拉普拉斯算子本征函数的闭环式波前复原方法。方法：给LC-SLM加载一定的控制信号，使其成为一个离轴菲涅耳波带片（FZP），然后在其后面放置一个短距焦的聚焦透镜，这样入射光束依次经过LC-SLM和透镜后，位于透镜焦平面处的光电探测器就能够探测到透镜焦点前后对称离焦面上的光强。根据波前曲率传感器的基本原理，前后离焦面上归一化的光强差和波前曲率以及波前沿光瞳边界法向微分之间的关系是Neumann边界条件下的泊松方程。利用基于拉普拉斯算子本征函数对该方程进行求解，即可复原出入射光的波前信息。得益于LC-SLM的相位调制可编程特性，基于 LC-SLM 的波前曲率传感器不仅可以动态调整其参数，而且能够采用闭环迭代的方式进行波前复原。结果：建立了一个传感器数值仿真模型，其中采用通光直径为0.01 m、像素数为256×256的LC-SLM实现离轴量为0.008 m、焦距等于3米的FZP，短焦透镜的焦距为0.1 m。利用40阶本征函数构建复原矩阵，选取其中第15阶模式作为入射波前相位进行复原。可以得出，当第 15阶模式系数为 1时，采用开环方法（即一次迭代）就能够实现高精度复原；随着该模式系数的增大，即待测波前相位幅度的增大，开环复原的精度显著降低；而闭环迭代复原方法可显著提高复原精度。利用前20阶本征函数构建复原矩阵，分别对利用前20阶本征函数和全部40阶本征函数随机产生的波前相位进行闭环复原，当复原矩阵的模式数量大于或等于待测波前相位的模式数量时，闭环复原方法具有非常高的精度；当复原矩阵的模式数量小于待测波前相位的模式数量时，会出现模式耦合现象，导致波前复原精度降低；但是模式耦合对闭环迭代算法的稳定性影响很小。大气湍流波前扰动复原的实验进一步表明模式耦合不会影响闭环波前复原的稳定性。结论：由于LC-SLM的相位调制能够编程控制，基于其实现的相位型光栅波前曲率传感器，不仅能够方便地调整参数，而且可以采用闭环迭代的方式进行波前复原。与开环复原方法相比，闭环迭代方法具有更高的复原精度和更大的测量范围。当复原矩阵的模式少于待测相位的模式时，会出现模式耦合，但是不影响闭环复原方法的稳定性。

来源出版物：激光与光电子学进展，2015，52(8):082301

入选年份：2017

轨道角动量模式在柚子型微结构光纤中的传输

乔文，高社成，雷霆，等

摘要：目的：轨道角动量（OAM）作为一种新的数据信息载体，是属于光的波长、强度和偏振之外的另一种重要的光学特征，在光学显微成像、粒子捕获和光通信等方面的研究中得到广泛的关注。在光通信研究方面，OAM为光束的复用提供了一个全新的自由度，并已经在自由空间光通信中取得了一些重要进展，但OAM在光纤中稳定传输还有很多技术瓶颈需要突破。本文提出了一种能够传输OAM模式的柚子型微结构光纤（MOF），并结合理论分析，在实验中进行验证。方法：在OAM光纤通信系统中，支持OAM模式传输的光纤是一种关键器件。为了支持OAM模式在光纤中稳定传输，OAM光纤必须具有高的有效折射率差，才能避免光纤中各矢量本征模式间的相互耦合和简并。我们提出的这种 MOF纤芯周围存在一层直径为3 μm的柚子型空气孔，由于空气孔与光纤纤芯之间存较大的折射率差，传输的光被局限在纤芯中，从而形成稳定的传输模式。本文研究由理论模式分析和实验验证两部分内容。（1）通过有限元法对光纤中的矢量本征模式进行模拟，得到了模式的有效折射率和模场分布，由奇数和偶数矢量模式的叠加计算出MOF可支持传输的OAM模式。（2）搭建的OAM模式在MOF中传输的实验系统，该实验系统分为OAM模式的产生，OAM模式在MOF中的传输和OAM模式的检测3个部分。（3）实验产生部分采用波长为632.8 nm的氦氖激光器入射空间光调制器（SLM）上分别产生单个线偏振的+1阶或-1阶OAM模式，再利用一个四分之一波片将线偏振的OAM模式转换为圆偏振模式。（4）实验传输部分，入射进MOF的OAM模式是圆偏振态，MOF需自然伸直，可避免过度弯曲给实验结果带来影响。（5）实验检测部分是利用SLM加载特殊设计的光学旋涡达曼光栅（DOVGs)，将MOF出射后的光束入射在DOVGs上，对在MOF中传输1 m后的OAM模式进行解调，观察解调后的实验现象，验证MOF可支持OAM模式的传输。结果：在630 nm波长范围附近对MOF中的传输模式进行求解后，得到包括TM、TE和其他混杂模式在内的 12个矢量本征模式，发现光纤中的各矢量本征模式间存在10-2以上的高有效折射率差，远大于引起光纤中模式间串扰的有效折射率差阈值 1.8×10-4，综合OAM的拓扑荷正负和OAM左右旋偏振态性质，得出在理论上MOF最多可以支持10个OAM模式传输。在实验中利用特殊设计的 DOVGs对在光纤中传输1 m后的OAM1，1和OAM-1，1模式进行解调，当l＝1的OAM模式入射在DOVGs的+1级时，通过光栅衍射后在它对应的-1级处会出现一个OAM模式还原点，表现为一个拓扑荷l＝0的高斯亮点。将经过MOF传输后OAM模式，入射在DOVGs上得到解调后的OAM模式以及所对应的还原点。结论：本文提出并研究了一种MOF的OAM模式传输特性，结合理论分析，通过实验进行验证。MOF纤芯周围柚子型空气孔的存在，导致光纤中各矢量本征模式间有很大的有效折射率差，通过有限元法模拟计算得到各本征矢量模式间的有效折射率差达到10-2以上，这种高的有效折射率差可以有效抑制光纤中模式串扰。在实验上利用特殊设计的DOVGs对经过MOF传输的OAM模式进行验证，证明这种MOF可以传输±1阶的OAM模式。

来源出版物：中国激光，2017，44(4):0406002

入选年份：2017