Vektorörvény tűnyalábok keletkezése és terjedésük turbulens légkörben
A légköri turbulencia mindig is jelentős kihívást jelentett a lézerek stabil terjedése szempontjából, különösen a szabadtéri optikai kommunikációs (FSOC) rendszerekben a nagy távolságú átvitel esetében. A légköri turbulencia káros hatásainak enyhítése érdekében sürgősen szükség van speciális optikai nyalábok fejlesztésére.
Papírinformációk:
Ebben a tanulmányban a vektorörvényű tűnyalábok (VVPB-k) szabad térben való terjedési jellemzőit elméletileg elemzik és származtatják, légköri turbulenciában mutatott viselkedésüket pedig numerikusan szimulálják. A szimulációs eredmények azt mutatják, hogy azonos körülmények között a VVPB-k alacsonyabb szcintillációs indexeket és kisebb nyalábvándorlást mutatnak, mint a hagyományos lyuknyalábok (PB-k) nagy távolságú átvitel során. Ezenkívül mind a VVPB-ket, mind a PB-ket kísérletileg generálják, és szcintillációs indexeiket és nyalábvándorlásukat laboratóriumi környezetben, termikusan indukált turbulenciával mérik. A kísérleti adatok megerősítik az elméleti eredményeket, megerősítve, hogy a VVPB-k jelentős előnyökkel rendelkeznek a turbulencia hatásainak csökkentésében. Ezeknek az eredményeknek várhatóan fontos következményei lesznek a szabad térben működő optikai kommunikációs és távérzékelési technológiák fejlesztésére nézve.
A kísérleti eljárások és eredmények részletei a következők:
Az elméleti eredmények validálásához először kísérletileg generáltunk VVPB-ket és PB-ket, majd megmértük terjedési intenzitásukat turbulens környezetben. A kísérleti beállítás az alábbi ábrán látható. Egy 532 nm-es lineárisan polarizált lézersugarat kiterjesztettünk, majd egy 50:50 arányú nyalábosztóval (BS1) két útra osztottunk, így létrehozva egy Mach-Zehnder interferométert. Mindkét útban a fényt egy csak fázisérzékelő térbeli fénymodulátor (SLM) verte vissza, hogy modulálja a beeső nyaláb fázisát és amplitúdóját. A modulált nyalábok két 4f-es rendszeren haladtak át, amelyek a fényt egységnyi nagyítással a 4f-es rendszer végsíkjára vetítik. Mindkét 4f-es rendszer végsíkja tökéletesen átfedésben volt a BS4-nél, amely a forrássíknak tekinthető. Két hengeres lencsét (CA1 és CA2) helyeztünk az L1 és L3 lencsék hátsó fókuszsíkjába, hogy kiszűrjük a nem kívánt diffrakciós rendeket és a háttérzajt. A BS4-ből kilépő fény egyetlen nyalábot alkotott, amely egy fűtött lemezen haladt át, turbulenciát generálva. Miután a nyaláb áthaladt a fűtött lemezen, egy töltéscsatolt eszközzel (CCD) rögzítették. A két SLM-re feltöltött hologramokat számítógéppel generálták. A két SLM amplitúdója és fázisa azonos volt, azzal a különbséggel, hogy egy további π/2 fázist töltöttek az SLM2-re. Ez az 1. és 2. útvonalon az SLM-ekről visszaverődő fényt ortogonálissá tette, lehetővé téve a VVPB-k kialakulását. Ezenkívül az egyik útvonal blokkolásával és a hologram megváltoztatásával PB-k is létrehozhatók voltak. Így ez a kísérleti beállítás lehetővé tette mind a VVPB-k, mind a PB-k kényelmes létrehozását.
1. ábraKísérleti berendezés VVPB-k előállítására és terjedésük vizsgálatára turbulens környezetben, beleértve a nyalábtágítót (BE), lencséket (L1-L4), töltéscsatolt eszközt (CCD), nyalábosztókat (BS), térbeli fénymodulátorokat (SLM1 és SLM2) és kör alakú apertúrákat (CA1 és CA2).
2. ábraA szimulációs eredmények (első sor) és az analitikai eredmények (második sor) összehasonlítása a VVPB-k normalizált intenzitáseloszlásaira vonatkozóan a z = 400 mm síkban. A harmadik sor az első és a második sor keresztmetszeti összehasonlítását mutatja. Az első oszlop a teljes intenzitást, a második oszlop az x komponenst, a harmadik oszlop pedig az y komponenst mutatja. A fehér sáv 3 mm-t jelöl. Az (a) - (f) ábrák azonos méretekkel rendelkeznek.
Ábra 3ábra a turbulens légkörben terjedő VVPB-k szimulációs modelljét szemlélteti.
4. ábraA VVPB-k (első sor) és PB-k (második sor) axiális intenzitásingadozásai különböző turbulencia intenzitások mellett.
5. ábraNyaláb centroid eloszlások 1000 intenzitás-realizációból VVPB-k (első sor) és PB-k (második sor) esetén változó turbulencia intenzitásoknál.
6. ábraA VVPB-k nyalábfoltjai, melyeket egy nyalábprofil-analizátor rögzített szabad térben, 1 m távolságra a BS4-től: (a) teljes intenzitás-eloszlás, (b) x-komponens és (c) y-komponens. Minden panel mérete körülbelül 7×5 mm².
7. ábraKísérleti eredmények, amelyek a (a) szcintillációs index és (b) a nyalábvándorlás változását mutatják a forró lemez hőmérsékletével mind a PB-k, mind a VVPB-k esetében.
A kísérletben használt fázis típusú térbeli fénymodulátor paraméterei és specifikációi a következők:
| Modell | FSLM-2K73-P sorozat | Moduláció típusa | Fázistípus |
| Folyadékkristályos típus | Fényvisszaverő | Szürkeárnyalatos | 8 bites vagy 10 bites (opcionális) |
| Folyadékkristályos mód | PÁN | Vezetési módszer
| Digitális |
| Felbontás | 2048×2048 | Pixelméret | 6,4 μm |
| Aktív terület | 0,73" | Kitöltési tényező | 93% |
| Frissítési gyakoriság | 60 Hz (8 bit)* | Bemeneti teljesítmény | 12 V 3 A |
| Igazítási szög | 0° | Adatinterfész | HDMI |
Megjegyzés: A különböző modellek fázismodulációs tartományban és fénykihasználási hatékonyságban különböznek. Konkrét igények esetén kérjük, vegye fel a kapcsolatot az adott régió értékesítési vezetőjével a részletekért.
Zárónyilatkozat:
A térbeli fénymodulátor (SLM) egy alapvető optoelektronikai eszköz, amely a folyadékkristályos anyagok elektrooptikai hatását használja ki a fényhullámfrontok térbeli eloszlásának (beleértve az amplitúdót, a fázist vagy a polarizációt) dinamikus szabályozására. A modern optika és fotonika rendkívül hatékony eszközeként lehetővé teszi a fény terjedésének aktív, pontos és dinamikus manipulálását a térben. Jelenleg az örvénynyalábok létrehozásának fő módszerei közé tartozik a spirális fázislemezes módszer, a térbeli fénymodulátor, a számítógéppel generált hologram, a móduskonverziós módszer, a metafelület stb. Ezek közül a térbeli fénymodulátor abszolút előnyöket mutat a topológiai töltésszámok és más paraméterek dinamikus változtatásában a programozhatóságának köszönhetően.
Cikkinformációk: