采用深度学习校正畸变涡旋光束的方法综述(特邀)

涡旋光束是一种携带轨道角动量的新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测等领域有着广阔的应用前景。涡旋光束在大气等非均匀介质中传输时会产生波前畸变,使得其携带的轨道角动量发生改变,对实际应用产生不利影响,因此需要引入自适应光学波前校正技术对其进行畸变校正。综述了近年来国内外学者在涡旋光束自适应畸变校正方面的研究进展,首先简要介绍了当前较为成熟的涡旋光束畸变校正技术,包括高斯光束探针与波前传感相结合、相位恢复算法与面阵探测技术相结合等技术方案;然后着重介绍了基于深度学习的新型涡旋光束畸变校正技术,包括泽尼克多项式系数反演、湍流相位屏反演等,同时讨论了将深度学习用于涡旋光束畸变校正的优势及局限性;最后展望了涡旋光束自适应畸变校正技术的发展趋势。     

涡旋光束的自适应光学波前校正技术研究进展（特邀）

涡旋光束携带了与其螺旋波前结构相关的轨道角动量,由于其在通信系统不增加带宽情形下可极大增加系统容量和频谱效率,引起了广泛关注。然而,自由空间中的湍流将导致涡旋光束的螺旋波前发生畸变,产生模间串扰,降低接收功率,从而削弱链路性能。自适应光学波前校正技术是克服干扰的有效手段之一。综述了涡旋光束的自适应光学波前校正技术的发展,阐述了Shack-Hartmann、随机并行梯度下降、Gerchberg-Saxton三种算法的校正原理,分析了深度学习在波前校正技术中的应用,并介绍了笔者课题组对水下湍流环境中波前校正技术的研究工作。     

基于GS算法的多贝塞尔高斯光束畸变波前校正方法

针对大气湍流干扰下的多贝塞尔高斯光束畸变波前矫正研究场景单一的问题，提出了基于盖师贝格-塞克斯顿（GS）算法的多贝塞尔高斯光束畸变波前校正方法，采用功率谱反演法得到各向异性大气湍流相位屏，并仿真分析了异号拓扑、同号拓扑2种多贝塞尔高斯光束在3种不同大气湍流折射率结构常数影响下的畸变波前校正情况。仿真结果表明：该方法对2种多贝塞尔高斯光束在校正后的目标轨道角动量（OAM）模式纯度均能提高12%以上，OAM谱的弥散也能得到有效抑制。     

湍流强度对大气传输光束的相位特性及其相位校正物理极限的影响

运用相位屏近似法计算模拟了激光束通过大气湍流的光场分布。从高频相位比例和相位不连续点数目等角度对畸变光束的相位特性进行了分析,进而利用考虑到变形镜驱动器间交联耦合的高通滤波方法模拟自适应系统对畸变波前的校正作用,建立了畸变光束的相位校正物理极限的预估模型,定量分析了湍流强度和传输距离对校正极限的影响。研究结果表明:在一定范围内,随着湍流强度的增强及传输距离的增大,畸变波前中高频相位比例明显增加,相位不连续点数目也逐渐增多;激光束通过大气湍流后,其相位校正的效果主要受畸变光束连续相位中的高频相位比例以及相位不连续点数目的共同影响,畸变波前中高频相位比例越大,相位不连续点的数目越多,相位校正效果也越差。     

涡旋光束制备及其在惯性测量领域的研究进展（特邀）

涡旋光束是一种携带轨道角动量且具有螺旋波振面的新型结构光场。自1992年Allen等首次证明了近轴条件下带有螺旋相位因子的光场具有轨道角动量以来,涡旋光束因其在光操控、光通信、光学测量和遥感等领域中的广泛应用而备受关注,特别是近年来涡旋光束在惯性测量领域的应用吸引了诸多学者的研究兴趣。文中主要涉及三个方面的内容:涡旋光束制备方法研究进展;涡旋光束在惯性测量领域中的关键应用,具体为基于涡旋光的旋转多普勒效应和量子陀螺;最后还就惯性测量对涡旋光束制备提出的新要求进行了讨论。     

涡旋光束旁瓣抑制的研究进展

涡旋光束是一种具有螺旋型波前和光学轨道角动量的特殊光场,这种特性使其在光学微操纵、光学成像以及自由空间光通信等领域中具有广阔的应用前景.本文以螺旋相位板所产生的涡旋光束为基础,简要介绍了涡旋光束光强分布的特点,总结分析了目前几种涡旋光束旁瓣抑制方法的原理与特点,并就国内外的研究现状和应用前景进行了总结与展望.     

主动冷却式一维变形镜技术研究

根据高能固体板条主振荡功率放大(MOPA)激光放大器系统输出矩形光束在增益介质长度方向波前畸变的特点,针对性地研制了在一维方向上进行波前畸变校正的新型波前校正器,即一维变形镜(DM1D)。通过仿真模型对镜面厚度及粘接面形状等技术参数进行优化,设计了一个具有11通道的主动冷却型一维变形镜,全口径静态面形峰谷(PV)值为0.17μm,校正动态范围不小于5μm。采用主动冷却技术,使镜面在8 k W/cm2功率密度激光长时间照射情况下温升小于1℃,保持了强光作用下镜面面形的稳定性。在闭环校正试验中,光束质量β因子均值从8.82提高至4.38,有效地校正了光束波前畸变,验证了该一维变形镜在MOPA激光系统中的实用性。     

光束波前畸变的模拟及其相位梯度分析

大口径光学元件的表面制造误差会使透射或反射波前产生畸变,这是天文光学系统以及ICF激光系统关心的问题.文章使用了一个随机相位屏来模拟光学制造误差导致的光束波前畸变,并利用波前相位梯度这个参数来对波前畸变进行定量化分析.介绍了波前相位梯度的定义和算法,通过数值计算得到了一维和二维波前畸变的梯度分析结果,并对不同畸变情况的模拟结果进行了比较.     

固体激光器波前畸变自适应校正技术及研究进展

自适应光学(AO)作为一种主动光学补偿技术,由于具有结构简单、校正效果好、可闭环运行等优势,被大量用于校正激光波前畸变,并于近年逐渐应用于高能激光器系统中。综述了AO系统工作的基本原理,系统论述了近年来国内外在AO系统校正固体激光畸变方面的研究进展。按照校正固体激光器波前畸变的AO系统中有无采用波前传感器,将其分为无波前探测和有波前探测的AO校正技术进行介绍,分析了各个研究工作的关键性技术。最后总结了目前存在的技术难题,并对AO技术在固体激光器中的应用前景进行了展望。     

聚焦光束稳态热晕补偿实验

进行了聚焦光束稳态热晕效应及自适应光学补偿的室内模拟实验观测，获得了在不同热畸变参数情况下，自适应光学系统开闭环时光束远场Strehl比和信标光波前方差的测量结果。测量结果表明自适应光学对聚焦光束整束热晕的补偿效果是显著的。在热畸变参数Nd大于170时，校正剩余波前大差呈非线性增长。在热畸变参数N_d与光束菲涅耳数N_f的比值大于1时，校正后的远场光斑峰值强度随入射功率的增加开始呈下降趋势。     

直接输出的超短脉冲轨道角动量涡旋光产生技术研究进展（特邀）

轨道角动量（OAM）涡旋光是一种具有相位孤立奇点的光场,其相位波前呈螺旋分布,光场复振幅包含螺旋相位项exp(ilθ)。近年来,OAM涡旋光被广泛地应用在光学操控、成像、通信、传感等方面。超短脉冲OAM涡旋光同时具有涡旋光和超短脉冲的优点,可应用于手性材料加工、远距离传输、强场物理研究,非线性频率转换研究等方面。通过激光器直接产生OAM涡旋光具有系统整体简便性高和光束质量好等优势,对国内外基于有源方法产生超短OAM涡旋光的方法进行了总结。目前,通过有源方式产生的超短OAM涡旋光的脉冲宽度还局限于几百飞秒,如何通过直接输出的方法获得百飞秒以内甚至是少周期脉冲涡旋光输出将是未来研究的一个重要方向。     

轨道角动量叠加态的产生及其检验

带有螺旋相位分布的波束都具有轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）,其螺旋相位取决于OAM态拓扑荷数。理论分析了叠加涡旋光束的相位及光场分布,然后将叠加态涡旋光束的相位分布图加载到空间光调制器上产生了多态涡旋光束,讨论了不同拓扑荷数叠加时光场衍射图的分布情况。实验结果表明,叠加态的涡旋光束光场衍射图随着叠加光束拓扑荷数的正负以及数值而呈一定规律性变化,即当叠加的两束光拓扑荷数为异号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数绝对值之和;当叠加的两束光拓扑荷数为同号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数之差的绝对值。通过此性质可以检验涡旋光束的拓扑荷数,为叠加涡旋光束在自由空间光复用通信系统的拓扑荷数检测提供了新的方法。     

大气湍流对拉盖尔-高斯光束传播质量的影响

为了从系统的角度研究大气湍流对涡旋光束传播 质量的影响,根据广义惠更斯-菲涅尔积分和Kolmogorov湍流大气原理,利 用傅里叶光学分析方法和光束分步传播法对携带有轨道角动量(OAM)的 拉盖尔-高斯(LG)光束在湍流大气中的传播进行理论分析与数值仿真, 导出角谱形式的衍射模型及其对应的抽样限制条件。利用桶中功率(PIB,power in bucket)计算方法,分析湍流强度对不同OAM值的LG光束质量的 影响;引入高斯光束和点光源,对比评估典型光束的抗湍流能力。数值仿真结果表明:受大 气湍流影响,随着LG光束在湍流大气 中传播距离增加,光束会聚能力变弱有明显扩散;光束本身特有的环状光强分布及其相应的 相位分布都受到不同程度的破坏,损伤 程度与光束本身携带的OAM数有关;点光源对湍流的影响最为敏 感;高斯光束具有与小OAM值的LG光束相比拟的抗 湍流能力,且比大OAM数的LG光束有更强的抗湍流能力。     

光束轨道角动量谱的测量技术研究进展（特邀）

自Allen等证明具有螺旋相位波面的激光束携带有轨道角动量以来,对光束轨道角动量调控技术的研究取得了跨越式的发展,获得了包括相位涡旋光束、矢量涡旋光束、激光束阵列等多种新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测、激光加工、高分辨率成像等领域展现出广阔的应用前景。准确测量光束的轨道角动量是其应用的重要基础,早期人们更多地关注对待测光束所包含的轨道角动量成分分布的测量,后来逐步拓展至对各个轨道角动量成分的强度比重即轨道角动量谱的测量。文中系统地回顾并总结近年来光束轨道角动量谱测量技术的发展,主要介绍了包括基于衍射、模式分束等方法的新型光束轨道角动量谱测量技术。     

Production of electron vortex beams carrying large orbital angular momentum using spiral zone plates

We report the production of electron vortex beams carrying large orbital angular momentum (OAM) using micro-fabricated spiral zone plates. A series of the spherical waves, focussing onto different positions along the propagating direction of the electron beam, were observed. The nth order vortex beam has an OAM n times larger than that of the first-order vortex beam. We observed an electron vortex with an OAM up to in a high-order diffracted wave. A linear dependence of the diameter of the vortex beam on the OAM was observed, being consistent to numerical simulations.     

基于归一化互相关因子的波前测量研究

为实现对光束近场强度分布不均匀或低信噪比场景中的高精度波前测量,分析了低信噪比情况下,在基于夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统中,分别使用基于归一化互相关因子的相关算法与目前常用的自适应阈值灰度质心法时,信噪比对质心探测精度及后续波前复原精度的影响。通过数值仿真与实验对比,证明了基于归一化互相关因子的相关算法在不同光强条件下的波前测量结果一致性与准确性都高于自适应阈值的灰度质心法,其可为自适应光学系统在像差探测能力上提供更高的准确性与鲁棒性。针对基于归一化互相关因子的相关算法计算量较大,软件计算实时性较差,难以满足工程实用需要的问题,提出了一种基于算法实现优化与多级并行计算的加速方法,对448单元子孔径的夏克-哈特曼波前传感器可实现每秒上千赫兹的计算速度,可满足大部分自适应光学系统波前探测实时性的工程需要。     

斜程湍流大气中矢量涡旋光束的OAM特性研究

基于螺旋谱理论推导出矢量涡旋光束在斜程大气湍流传输中的轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)谱,讨论了修正Kolmogorov大气湍流对不同阶矢量涡旋光束光场分布及光束OAM谱的影响。利用旋转毛玻璃作为随机相位屏,实验采集了矢量涡旋光束通过旋转毛玻璃后的光强图像与归一化强度。结果表明:经大气湍流斜程传输后,矢量涡旋光束的光强分布产生畸变且OAM谱发生弥散,OAM谱弥散程度随传输距离的增大而增大。传输距离不变时,天顶角越大,主OAM模相对功率越小,湍流内尺度减小与折射率结构常数增大均会导致主OAM模相对功率减小。同一传输路径下,随着湍流强度的增大,矢量涡旋光束中心相位奇点的强度逐渐增大,并且拓扑荷不变时,偏振阶数高的矢量涡旋光束受到的湍流影响较小。