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光电学院高春清教授课题组在涡旋光束畸变的自适应光学校正技术研究中取得进展

作者: | 发布日期:2017-11-30

供稿:光电学院  编辑:盛筠

  

  在国家重点基础研究发展计划(973计划)“基于光子轨道角动量的新型光通信体制研究”的资助下,北京理工大学光电学院高春清教授课题组在涡旋光束畸变的自适应光学校正技术研究中取得进展,在光学领域Top期刊Photonics Research(SCI一区,Top期刊)上先后发表两篇文章: “Influences of atmospheric turbulence effects on the orbital angular momentum spectra of vortex beams”和“Non-probe compensation of optical vortices carrying orbital angular momentum”,其中第一篇论文是编辑特邀稿件,报道了涡旋光束的轨道角动量谱受大气湍流的影响情况,第二篇论文报道了涡旋光束畸变的非探针自适应光学校正技术。这两项工作中,博士研究生付时尧为第一作者,高春清教授为通讯作者。

 

  涡旋光束是指具有螺旋相位分布的光束,是近年来光学领域国内外学者研究的热点之一。涡旋光束携带有轨道角动量(orbital angular momentum, OAM),其本征值可取任意整数,不同OAM态可构成一无穷维希尔伯特空间。将光的OAM引入光通信系统,可为光通信系统提供一种新的维度,极大提高光通信系统的信息传输能力。但是,当携带有OAM的涡旋光束经过大气湍流等不均匀介质传输时,会发生波前畸变,产生OAM谱展宽效应,进而使得系统的误码率显著上升,降低了通信质量。为了解决这一问题,该课题组在建立的大气湍流理论模型基础上,系统的分析了拉盖尔高斯光束和贝塞尔高斯光束这两种最常见的涡旋光束,经不同强度的湍流后的OAM谱展宽效应,受期刊编辑的邀请,研究结果以 “Influences of atmospheric turbulence effects on the orbital angular momentum spectra of vortex beams”为题,发表在Photonics Research [Vol. 4, Issue 5, pp. B1-B4 (2016)]上。

 

 

图1、不同湍流强度下的OAM谱展宽效应

 

  另外,该课题组还提出了一种无波前探测、无探针光束的涡旋光束自适应畸变补偿方法。他们采用面阵探测器直接采集经湍流传输后的畸变涡旋光场,通过设计的迭代算法由畸变的强度分布直接算出相位补偿屏,并将补偿相位作用于畸变涡旋光束,实现了涡旋光束的畸变补偿。实验结果表明,经补偿后,涡旋光束的OAM模式纯度有了显著提升,OAM谱展宽得到有效抑制。该结果以“Non-probe compensation of optical vortices carrying orbital angular momentum”为题,发表在Photonics Research [Vol. 5, Issue 3, pp. 251-255 (2017)]上。

 

 

图2、涡旋光束的无波前探测无探针自适应畸变补偿原理

 

 

图3、畸变补偿前后不同角量子数的涡旋光束的光场分布情况

 

  该课题组自2014年以来,在973课题的资助下,开展包括新型结构光场的生成、探测、自适应光学校正等内容的研究,至今已在SCI收录高水平学术期刊上发表学术论文22篇,含光学类顶级期刊Photonics Research、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等12篇,获授权发明专利4项。该课题组将继续致力于该方向的研究,在新型结构光场领域不断追求与探索。

 

 

论文链接
1. https://doi.org/10.1364/PRJ.4.0000B1
2. https://doi.org/10.1364/PRJ.5.000251

(审核:郝群)