激光束二维偏转的GS相位反演算法研究

作     者：杨飞跃 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄子强

授予年度：2020年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080902[工学-电路与系统] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：液晶 空间光调制器 光束偏转 GS算法 

摘      要：空间光调制器在现代光学领域扮演着重要的角色,这种调制器可以实现光波的相位调制和幅度调制,能够实现较高的光能利用率和较高的衍射效率,且具有相位灵活性和实时性等优点,被广泛应用于空间滤波、图像处理、数字全息等领域。为了使空间光通信终端具有多用户即时通信能力,提高光通信系统的扫描范围,提升扫描精度;为了减轻通信系统的结构复杂性,使得操作简单,计算精确;本文将使用液晶二维空间光调制器来实现多光束的二维偏转。基于二维标量衍射方法采用改进的盖师贝格-撒克斯通(GS)算法来实现多光束的独立控制,并对光束在不同偏转角度下光束的衍射效率、均方根误差和光束的偏转精度进行了分析讨论,为空间光通信的多用户即时通信能力提供了保证。具体研究内容如下:(1)介绍了液晶材料的物理特性,依据液晶的弹性体理论分析了液晶材料在外加电场的作用下液晶指向矢的变化规律,同时以液晶的电光双折射效应为基础,仿真分析了不同液晶盒厚下入射光束光程差随电压的变化规律。其次以光的基础衍射理论为基础,对液晶空间光调制器的结构特性进行分析讨论。(2)在液晶相控阵模型下综述了使用周期性光栅法和非周期性光栅法实现光束偏转的理论,在此基础上,提出基于液晶空间光调制器使用适当的二维相位来直接实现单光束的二维偏转总体方案。从微波相控阵的理论出发,进一步地提出了使用子孔径法和交叉子阵法来实现多光束的二维偏转,建立二维相位平面结构模型。对子孔径法实现多光束的偏转进行分析,通过计算机优化处理实现双波束、三波束和四波束的偏转,得出子孔径权向量不相同时,生成波束的光强也就不相同;同理使用均匀交叉子阵法和非均匀交叉子阵法对多波束的生成进行分析,最后将子孔径法与交叉子阵法所得的相位分布和波束分布进行比较,得出采用交叉子阵法所得到的波束具有更高分辨率的结论。(3)依据激光光束整形的方法,提出了使用改进的GS算法来实现出射光束能量中心偏移入射中心方向且在远场集中于一点或几点的整形方法,即实现了多光束的二维偏转的新方案。该算法的特点在于以在像面干涉而生成多光束束斑为目标函数,通过算法计算输入面上的二维相位分布,以高斯平行光束通过衍射平面以后重构波阵面,生成多个强度受控、角度受控的束斑,以此实现平行入射的光束在二维任意角度的分束和偏转。结果表明,改进的GS算法计算得到远场双光束在0°到1.21°的二维径向偏转角度内,衍射效率和均方根误差分别在0.5.92和0.0046.019范围内波动,相比原始的GS算法所得到的结果有了明显的提高。(4)基于液晶空间光调制器使用改进的GS迭代算法对多光束的偏转进行了实验验证。通过分析不同偏转角度下的双光束和四光束的偏转误差,得出随着径向偏转角度的增大,双光束的偏转误差逐渐增大,偏转精度逐渐减小。当双光束的偏转角度在0°.1°范围内偏转时,得到光束的偏转误差在0.003mrad内波动。最后,通过实验验证了算法的可控性和有效性。