[發(fā)明專利]一種基于深度多分支補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的渦旋光波前畸變校正方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111106576.2
• 申請(qǐng)日: 2021-09-22
• 公開（公告）號(hào): CN113888418A
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任元;趙杰;李修乾;孟凡杰;劉通;劉政良;王琛;王紫陽
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T5/00
• 分類號(hào): G06T5/00;G06K9/62;G06N3/04;H04N5/232
• 代理公司: 北京中政聯(lián)科專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11489
• 代理人: 鄭久興

本發(fā)明涉及一種基于深度多分支補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的渦旋光波前畸變校正方法。渦旋光是一種具有螺旋波陣面的特殊光場(chǎng)，多種模式的單態(tài)渦旋光自干涉可生成疊加態(tài)渦旋光。該方法設(shè)計(jì)了一種深度多分支補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，選取前十項(xiàng)Zernike多項(xiàng)式對(duì)大氣湍流相位進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)不同Zernike多項(xiàng)式表征不同像差特征的原理，分支學(xué)習(xí)渦旋光畸變強(qiáng)度圖與大氣湍流相位屏的映射關(guān)系。在概念實(shí)驗(yàn)中，可以實(shí)現(xiàn)在多種湍流強(qiáng)度下，一旦給訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)輸入一個(gè)畸變渦旋光強(qiáng)度分布圖，僅需極短時(shí)間網(wǎng)絡(luò)即可較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出對(duì)應(yīng)的大氣湍流補(bǔ)償屏。該方法可用來對(duì)受相位干擾的畸變渦旋光進(jìn)行校正，且校正效果良好。本方法具有良好的靈活性、快速性和魯棒性，操作簡(jiǎn)便，泛化能力強(qiáng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于深度多分支補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的渦旋光波前畸變校正方法，通過分支訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入畸變強(qiáng)度分布圖不同類型的像差特征進(jìn)行精準(zhǔn)提取，多分支補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能夠更加準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)畸變強(qiáng)度圖與大氣湍流補(bǔ)償屏之間的映射關(guān)系。一旦給訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)輸入一張畸變渦旋光強(qiáng)度分布圖，網(wǎng)絡(luò)即可在極短的時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)出湍流補(bǔ)償屏對(duì)渦旋光進(jìn)行校正。

技術(shù)背景

光場(chǎng)中的渦旋現(xiàn)象最初由Boivin、Dow和Wolf于1967年在透鏡組的焦平面附近發(fā)現(xiàn)。1973年，Bryngdahl首次開展了對(duì)制備渦旋光實(shí)驗(yàn)方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用連續(xù)激光成功制備了渦旋光。1990年Yu、Bazgenov V首次使用光柵法完成了渦旋光的制備。1992年，L.Allen發(fā)現(xiàn)了在近軸條件下帶有相位因子的渦旋光束具有軌道角動(dòng)量，其中l(wèi)為渦旋光軌道角動(dòng)量拓?fù)浜蓴?shù)，為方位角；每個(gè)光子攜帶的軌道角動(dòng)量，為約化普朗克常數(shù)，該角相位因子說明渦旋光在傳播過程中，若光束傳播一個(gè)周期，則波陣面正好繞光軸旋轉(zhuǎn)一周，相位也相應(yīng)改變2πl(wèi)。

渦旋光作為一種具有螺旋波陣面的新型結(jié)構(gòu)光束，在光通信、粒子微操控、運(yùn)動(dòng)探測(cè)、光學(xué)微測(cè)量等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。拉蓋爾-高斯光是一種典型的渦旋光，光束中的光子不僅具有自旋角動(dòng)量(SAM)，也具有軌道角動(dòng)量(OAM)，拓?fù)浜蓴?shù)決定了OAM的大小。完整的單一態(tài)拉蓋爾-高斯光束具有圓環(huán)形的強(qiáng)度分布和中空暗核，光束中心強(qiáng)度為零的區(qū)域被定義為相位奇點(diǎn)。渦旋光束根據(jù)相位奇點(diǎn)的類型可分為兩類，一類是光場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)方向相同，奇點(diǎn)的相位不確定，稱為相位渦旋光；另一類是奇點(diǎn)的偏振方向不確定，稱為矢量渦旋光，拉蓋爾-高斯光是一種相位渦旋光。多種單一模式的渦旋光疊加可得到疊加態(tài)渦旋光，具有與單一態(tài)渦旋光不同的強(qiáng)度和相位分布。

渦旋光的制備是開展渦旋光研究的基礎(chǔ)，常用的制備方法包括模式轉(zhuǎn)換法、計(jì)算全息法、空間光調(diào)制器法、Q板法和矩陣螺旋相位板法。在實(shí)驗(yàn)室條件下，空間光調(diào)制器法是一種常用的制備方法。空間光調(diào)制器通過控制電場(chǎng)引起液晶顯示器空間相位或振幅圖像的變化，從而將一定的信息寫入光波中，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的調(diào)制。通過復(fù)振幅調(diào)控技術(shù)制備疊加態(tài)渦旋光的全息圖樣并加載到空間光調(diào)制器，用一束線偏振高斯光照射空間光調(diào)制器，出射光即為疊加態(tài)渦旋光束。

在疊加態(tài)渦旋光遠(yuǎn)距離傳輸應(yīng)用中，大氣的溫度和氣壓引起大氣折射率的隨機(jī)起伏，導(dǎo)致了光波波前畸變、振幅起伏，引起了渦旋光光束抖動(dòng)、光強(qiáng)閃爍、相鄰階次間的模式發(fā)生串?dāng)_，光束質(zhì)量受到了嚴(yán)重的影響。渦旋光目標(biāo)參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性也將受到嚴(yán)重影響。因此，通過一定的波前校正技術(shù)補(bǔ)償，從而使渦旋光遠(yuǎn)距離傳輸也能保持良好的光束質(zhì)量，這對(duì)渦旋光在探測(cè)、通信等方面的應(yīng)用是十分重要的。