面向真彩色三维显示的分层角谱算法和Gerchberg-Saxton算法研究

分层角谱算法可用于三维物体全息图的生成计算,在计算时间、占用内存和算法复杂度方面占有优势.本文基于强度图和深度图的分层角谱算法,对多波长采样进行分析,有效抑制混频现象,实现了真彩色物体的计算全息图生成.针对分层角谱算法重建时产生的散斑噪声问题,引入Gerchberg-Saxton(GS)算法,提出基于分层角谱算法的GS算法.通过计算比较引入GS算法前后再现像的均方根误差和峰值信噪比,证明该算法可有效地抑制散斑噪声,提高全息图的再现像质量,更适用于复杂形貌三维物体的计算.

基于多面循环Gerchberg-Saxton算法相位复原研究

为了避免传统Gerchberg-Saxton算法易陷入局部极值、而不能达到理想精度的问题,采用一种简单的循环方法,通过增加信息量,即增加一个平面,使算法能够比较有效地跳出局部极值,并进行了模拟计算。在光瞳平面振幅未知的情况下,利用焦平面或附近位置处的光强信息,对光瞳平面相位和振幅分布进行了恢复。结果表明,新算法达到较高的相位复原精度,进而实现了任意位置处光场的准确复原。

Fourier hologram method using Gerchberg-Saxton algorithm for parallel femtosecond laser processing

In order to improve femtosecond laser throughput,a parallel processing system consisting of liquid crystal on silicon(LCOS)device as spatial light modulator is put forward.A method is described for displaying Fourier hologram on LCOS,and a high uniformity of several diffraction peaks in the computer reconstruction is achieved.Application of this method to the parallel femtosecond laser processing is also demonstrated,and two intersecting rings and three tangent rings are fabricated respectively by one time in the photoresist.

基于Gerchberg-Saxton相位恢复算法改进的涡旋光束生成

随着液晶空间光调制器的广泛应用,利用液晶空间光调制器生成涡旋光束的方法越来越实用。由于反射式液晶空间光调制器制作工艺的缺陷,使得生成出来的涡旋光束质量并不是十分完美的。就反射式液晶空间光调制器这一缺陷提出了一种基于Gerchberg-Saxton(GS)相位恢复算法的像差补偿方法,通过像差补偿使得反射式液晶空间光调制器生成出来的涡旋光束质量(对称性)得到提高,进而从理论上说明了反射式液晶空间光调制器生成各种完美环形光的方法。

基于空间光调制器构建二维任意形状的87Rb原子阵列

超冷原子系统是一个纯净的、高度可控的量子体系,可对凝聚态物理、高能物理、天体物理和化学反应等领域的重要物理问题进行量子模拟.构造不同构型的光晶格是模拟多样化的复杂量子系统的一个重要前提.本文采用权重Gerchberg-Saxton算法生成多种形状的光晶格全息图,利用液晶型空间光调制器和高分辨率光学系统,把全息图(动量空间)变换到实空间构造出多种形状的二维晶格阵列,包括简单的三角、六角、正方晶格和更为复杂的蜂巢晶格等,并实现对87Rb超冷原子二维晶格阵列的装载,晶格的最小间距为3μm.这种方法具有通用性强、操控灵活的优势,将有助于拓展光晶格中超冷原子量子模拟的应用.

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。

基于空间光调制器的多层图像的构建与可视化

为解决实时直观地观察多层再现图像的问题,提出利用发光材料实现其可视化.针对由沿光轴方向的二维图层组成的空间图像,利用高效、快速的三维Gerchberg-Saxton算法,得到位相型计算全息图,并通过计算机进行了数字模拟再现.阐述了三维Gerchberg-Saxton算法的流程,并搭建了基于液晶空间光调制器的位相全息图光学再现与可视化光路.利用液晶空间光调制器的灰度-位相曲线把计算全息图转换为灰度图,加载在液晶空间光调制器上,再现出高质量的三维光场,同时利用量子点材料的荧光特性实现了图像的可视化.实验结果表明,光学再现与计算机模拟结果较吻合.该技术在医学、军事、三维显示、微加工以及显微技术等领域有重要应用价值.

基于波前校正的轨道角动量复用通信系统抗干扰研究

基于轨道角动量(OAM,orbital angular momentum)复用自由空间光(FSO,free-space optical)通信系统不可避免地受到大气湍流的干扰。针对OAM复用通信系统,提出一种基于Gerchberg-Saxton相位校正的大气湍流干扰影响补偿方法。利用Gerchberg-Saxton相位恢复算法校正由大气湍流导致的OAM态复用光波前相位扭曲。数值仿真结果证实,该方法很好地抑制了大气湍流引起的OAM态复用串扰。在大气湍流折射率结构指数常数Cn2<2× 10-15m-2/3时,系统误码率比没有使用Gerchberg-Saxton算法的要下降2到3个数量级。

三维光场的计算全息设计与再现研究

三维全息成像是利用全息术在空间形成立体图像的技术。一个三维物体,可以沿光轴方向分为一系列二维断层图像的组合。利用高效、快速的三维Gerchberg-Saxton算法,生成位相型傅里叶计算全息图,并加载在液晶空间光调制器上,理想地重构出高质量的三维光场,实验结果表明,图像清晰连贯,对比度高,噪声小。该技术在医学、军事、三维显示、微加工以及显微技术等领域有重要应用价值。

基于MGSA融合波分复用的光学彩色图像加密

针对传统的光学彩色图像加密算法加密过程中产生的串扰噪声问题,提出一种基于菲涅耳变换(Fr T)域MGSA融合波分复用的光学图像加密算法。首先解密图像的三个通道,创建三个独立通道的纯相位函数(POFs);然后通过R、G、B三种入射平面波获得大小匹配的近似恢复图像;最后,将三个近似恢复图像组合得到重构的彩色图像。局部彩色加密和解密的仿真实验验证了本文算法的可行性,此外,创建的三个POFs和Fr T的系统参数都可用于提高安全性的密钥,提出的加密算法简单高效安全。

复图像基于多级次分数傅立叶变换振幅的相位恢复

研究了在分数傅立叶域中如何利用复图像多个级次的分数傅立叶变换振幅恢复其相位的问题.当级次的个数为2时,可使用著名的Gerchberg-Saxton(G-S)算法.数值模拟表明,G-S算法不能对所有的级次都能取得较好的效果.本文利用复图像多个级次的分数傅立叶变换振幅,通过并行和串行地组合G-S算法,得到了并行G-S算法和串行G-S算法,对级次个数为3的情形进行了大量的数值模拟,对误差随级次变化的规律进行了归纳,并给出了如何选取级次才能重构出较精确相位的方法.

GS算法在多输入多输出雷达信号集设计中的应用

为了高效地设计出性能良好的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达正交相位编码信号集,提出一种改进的Gerchberg-Saxton(GS)算法,将最小化信号集旁瓣能量的代价函数转化为适合求解的极小化问题;将原始GS算法扩展至多维,并改进其物面和频谱面的约束条件,以适应文中优化问题的求解;利用改进的GS算法迭代优化设计出信号集.仿真实验表明:该算法可以有效改善所得信号集的积分旁瓣和相关性能.

涡旋电磁波的大气湍流相位畸变校正方法

自由空间传输的涡旋电磁波不可避免地受到大气湍流的干扰,使其螺旋相位发生畸变。为了对抗大气湍流的影响,可以使用相位恢复算法进行校正。文中提出一种改进的Gerchberg-Saxton(GS)相位恢复算法,通过引入优化方向因子,有效地克服了传统GS相位恢复算法陷入局部极小值的困境。随机相位屏的模拟实验结果显示,改进的GS相位恢复算法具有更好的校正效果,根据相对均方根误差评估指标,改进的GS相位恢复算法比传统GS算法改善了35.09%,相比未使用相位恢复算法则改善了64.72%。

基于深度卷积神经网络的大气湍流相位提取

光束在自由空间中传播时容易受到大气湍流的影响,其对传输光束的影响相当于附加一个随机噪声相位,导致传输光束质量下降.本文提出了一种基于深度卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的湍流相位信息提取方法,该方法采用受湍流影响的光强图为特征提取对象,经过对海量样本进行自主学习后,CNN的损失函数值收敛到0.02左右,其在测试集上的平均损失函数值低于0.03.训练好的CNN模型具有很好的泛化能力,可以直接根据输入的光强图准确提取出湍流相位.利用I5-8500 CPU,预测Cn2=1×10^-14m^-2/3,Cn2=5×10^-14 m^-2/3和Cn2=1×10^-13 m^-2/3三种湍流强度的湍流相位所需要的平均时间低至5×10^-3 s.此外,CNN的湍流相位提取能力,可以通过提高计算能力或者优化模型结构来进一步提升.这些结果表明,基于CNN的湍流相位提取方法能够有效的提取湍流相位,在湍流补偿、大气湍流特性研究和图像重构等方面具有重要的应用价值.

低散斑环形光束整形器件的设计及实验

提出一种可有效抑制散斑噪声的衍射元件设计方法.在传统Gerchberg-Saxton算法的基础上,通过选择一种特殊的初始相位,在不降低衍射效率的同时,有效提升光斑的均匀性.以将高斯光束整形成环形平顶光束为例,开展了数值仿真和光学实验.结果表明,利用该方法和传统Gerchberg-Saxton算法设计得到的环形平顶光束散斑对比度分别为11%和34%,验证了该方法可以获得低散斑噪声的环形平顶光束.

高衍射效率连续面形分束器的设计与制备

为了解决目前光学分束器件衍射效率低的问题,在传统的Gerchberg-Saxton(GS)算法基础上,对初始相位和迭代算法中的振幅限制方式作改进.先利用二次相位来作为迭代算法的初始相位,再在迭代过程中将输出平面分为信号区和噪音区两部分,保持这两部分的相位不变,信号区内振幅乘上一个随迭代次数不断变化的因子,噪音区内振幅保持不变.通过该方法设计9×9连续面形的分束器件,并与传统GS算法设计的分束器进行了对比,结果表明:GS算法设计得到的分束器相位存在严重的突变和不连续等问题,而本文方法设计得到的分束器相位连续平滑,可利用移动掩模技术加工.最终制备出1×3和1×9分束器,其实测的衍射效率分别为83.5%和89.4%,均匀性误差分别为3.56%和15.23%.

基于硅基超表面材料的光功率分配技术研究(特邀)

超表面材料在与光场相互作用时表现出独特的光学特性和许多有趣的物理现象,基于此材料制作的光电子功能器件对光场的调控能力有望被提升至新高。文章以光纤通信系统中的光功率分配应用为实例,提出了一种基于硅基超表面材料的新型光功率分配方案。首先,通过优化设计硅基超表面的单元结构,使其在1 458~1 593nm波长范围内的相位偏振转化效率超过90%,而无偏振转化的效率则控制在1.2%以下;其次,研究了相邻硅纳米砖之间的光场耦合效应,将其对相位精度的影响降至最低;最后,利用优化设计的硅纳米砖结构,实现了4种不同的光功率分配方式,并通过仿真加以验证。设计和仿真结果表明,基于硅基超表面材料的光功率分配技术具有结构紧凑、效率高、偏振不敏感、宽带响应、设计灵活、制造上与半导体制造工艺兼容等突出优点,有望成为未来超密、任意、智能功率分配的首选技术途径。

轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列,将轴平面成像技术与光镊结合,实现了沿轴向对二氧化硅微球的多光阱同时捕获与实时观测.通过视频分析法测量了多个二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,并标定了光阱刚度.本文提出的轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术为光学微操纵提供了一个新的观测视角和操纵方法,为生物医学、物理学等相关领域研究提供了一种新的技术手段.

利用MGSA算法的光学图像加密增强方案

针对JPEG图像加密方案的安全问题,在分析混沌映射和改进盖师贝格-撒克斯通(MGSA)算法的基础上,提出一种新的使用修改逻辑映射的图像加密方案.对图像生成的混沌序列进行置换、交换和随机扩散,在加密过程中进行交叉对比,并将混乱和扩散效应施加于图像上.文中分别从加密性、相关性、像素变化率(NPCR)和平均改变强度(UACI)等安全性指标对提出的方案与其他几种常用方案进行对比分析.实验结果表明,提出的光学图像加密方案具有更高可靠性.

底发射VCSEL片上点阵结构光投影装置设计

为解决现有点阵结构光投影装置中准直透镜会导致较强的零级衍射而造成投影点阵光强分布不均匀的问题,提出了一种基于底发射垂直腔面发射激光器的片上点阵光投影装置结构,并给出了衍射光学元件设计思路。首先对目标光场进行光强调整和坐标变换,在无准直透镜情况下利用基于瑞利-索末菲衍射积分的Gerchberg-Saxton改进算法获得片上衍射光学元件的相位分布,并最终对该点阵投影装置的投影效果进行评估。结果表明:在衍射光学元件设计过程中采用高斯光束作为光源时,该结构能更好地抑制零级衍射,获得光强分布更加均匀的投影点阵。此外,该结构不仅可省去透镜的安装,减小投影装置尺寸,还可通过流片工艺实现光源和衍射光学元件一体化集成。