一种自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定方法及系统

电子通信装置的制造及其应用技术1.本发明涉及光束阵列设计领域，特别是涉及一种自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定方法及系统。背景技术：2.由于具有无衍射、自愈合和自加速的奇异特性，艾里光束受到光学研究人员的广泛关注。艾里光束在光学清理、弯曲等离子体通道、时空光子弹、飞秒激光微加工、超分辨率光学成像、光子互连、光学捕获和光学薄片显微镜等场景有着重要的应用。当光学研究人员将艾里光束拓展到圆艾里光束时，发现了一个由横向自加速所引起的崭新现象即突然自聚焦效应。突然自聚焦效应可应用于生物医学治疗、光学操纵、非线性操纵、自由空间光通信、光学导引、非线性强光子弹、多尺度光子聚合、太赫兹波发射和动态成像等方面。3.鉴于单个艾里光束的光强强度和光束密度受到限制，光学研究人员将单个艾里光束发展成了艾里光束阵列，并且艾里光束阵列仍具有自聚焦特性。艾里光束阵列可分为环形艾里光束阵列和n×m型排列的艾里光束阵列。艾里光束阵列在大气湍流中传输时仍持有自聚焦能力。艾里光束阵列在自聚焦介质中传输时，在相干组合和克尔效应足够强的条件下甚至可以聚焦两次。使用艾里光束阵列进行图像传输可以实现更高的完整性和更佳的图像信息质量。采用艾里光束阵列的光阱具有优化的刚度和更高的稳定性，能更高效更稳定地实现光学捕获。4.一阶艾里导数光束是艾里光束的延伸和拓展。由于一阶艾里导数光束的初始电场分布完全不同于艾里光束，因此其传输特性也不同于艾里光束。由于具有更高的光束强度，一阶艾里导数光束阵列在抑制大气湍流和大气散射方面比艾里光束阵列具有更明显的优势，可以在接收端接收到更强的光信号。因此，如何设计一种自聚焦能力强的一阶艾里导数光束阵列，以提高大气激光通信的质量，成为目前亟待解决的问题。技术实现要素：5.基于此，本发明实施例提供一种自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定方法及系统，以提高一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力。6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：7.一种自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定方法，包括：8.获取在初始空间平面上以设定空间排列方式排布的一阶艾里导数光束阵列；9.确定所述一阶艾里导数光束阵列在初始平面上的电场分布；10.由所述电场分布确定所述一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时电场的解析表达式；11.由所述解析表达式，计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强对比度；所述光强对比度用于表征所述一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力；12.确定每个光束参数与所述光强对比度、自聚焦能力、焦点位置的关联关系；所述光束参数至少包括偏心距离、指数衰减因子和尺度因子；13.根据所述关联关系确定自聚焦一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时所需的光束参数；所述自聚焦一阶艾里导数光束阵列在所期望的焦点位置具有所期望的自聚焦能力；所述所期望的自聚焦能力大于设定值。14.可选地，所述确定每个光束参数与所述光强对比度、自聚焦能力、焦点位置的关联关系，具体包括：15.随着偏心距离的增大，光强对比度增大，自聚焦能力增强，焦点位置变远；随着指数衰减因子的减小，光强对比度增大，自聚焦能力增强，焦点位置变远；随着尺度因子的增大，在偏心距离不为零的情况下，光强对比度减小，自聚焦能力减弱，焦点位置变远；随着尺度因子的增大，在偏心距离为零的情况下，光强对比度不变，自聚焦能力不变，焦点位置变远。16.可选地，所述获取在初始空间平面上以设定空间排列方式排布的一阶艾里导数光束阵列，具体包括：17.获取在初始空间平面上由四个中心对称且呈2×2排列的一阶艾里导数光束组成的阵列，得到一阶艾里导数光束阵列。18.可选地，所述电场分布的表达式为：[0019][0020]其中，e(x,y,0)为一阶艾里导数光束阵列在初始平面z＝0上的电场分布；x为直角坐标系中的x轴上的坐标值；y为直角坐标系中的y轴上的坐标值；x＝(-1)n[x+(-1)nc]，y＝(-1)m[y+(-1)mc]，x表示阵列第n行x轴方向上光束的具体位置；y表示阵列第m列y轴方向上光束的具体位置；n表示阵列排列的行数；m表示阵列排列的列数；a为光强控制参数，a使得在初始平面上的最大光强为1；a为指数衰减因子；w0为尺度因子；c为偏心距离；ai′(·)为一阶艾里导数函数。[0021]可选地，所述解析表达式为：[0022]e(x,y,z)＝e(x,z)e(y,z)；[0023]其中，[0024][0025][0026]e(x,y,z)表示一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时电场的解析表达式；z为直角坐标系中的z轴上的坐标值，z轴是光束传输的方向；e(x,z)表示x方向上的电场分布；e(y,z)表示y方向上的电场分布；i表示虚数单位；z0表示瑞利距离，k表示波数；ai(·)为艾里函数。[0027]可选地，所述由所述解析表达式，计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强对比度，具体包括：[0028]根据所述解析表达式计算所述一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时在任一观察平面上的光强；[0029]根据所有观察平面上的光强确定一阶艾里导数光束阵列在焦平面上的最大光强；[0030]基于所述最大光强计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强对比度。[0031]可选地，所述根据所述解析表达式计算所述一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时在任一观察平面上的光强，具体包括：[0032]采用公式i(x,y,z)＝|ε(x,y,z)|2计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强；其中，e(x,y,z)表示一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时电场的解析表达式；i(x,y,z)表示所述一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时在任一观察平面上的光强。[0033]可选地，所述基于所述最大光强计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强对比度，具体包括：[0034]采用公式d＝ifm/i0m计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强对比度；其中，d表示光强对比度；ifm表示一阶艾里导数光束阵列在焦平面上的最大光强；i0m表示一阶艾里导数光束阵列在初始平面上的最大光强。[0035]本发明还提供了一种自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定系统，包括：[0036]光束阵列获取模块，用于获取在初始空间平面上以设定空间排列方式排布的一阶艾里导数光束阵列；[0037]电场分布确定模块，用于确定所述一阶艾里导数光束阵列在初始平面上的电场分布；[0038]解析表达式确定模块，用于由所述电场分布确定所述一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时电场的解析表达式；[0039]光强对比度计算模块，用于由所述解析表达式，计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强对比度；所述光强对比度用于表征所述一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力；[0040]关联关系确定模块，用于确定每个光束参数与所述光强对比度、自聚焦能力、焦点位置的关联关系；所述光束参数至少包括偏心距离、指数衰减因子和尺度因子；[0041]自聚焦光束参数确定模块，用于根据所述关联关系确定自聚焦一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时所需的光束参数；所述自聚焦一阶艾里导数光束阵列在所期望的焦点位置具有所期望的自聚焦能力；所述所期望的自聚焦能力大于设定值。[0042]可选地，所述关联关系确定模块，具体包括：[0043]关系确定单元，用于随着偏心距离的增大，光强对比度增大，自聚焦能力增强，焦点位置变远；随着指数衰减因子的减小，光强对比度增大，自聚焦能力增强，焦点位置变远；随着尺度因子的增大，在偏心距离不为零的情况下，光强对比度减小，自聚焦能力减弱，焦点位置变远；随着尺度因子的增大，在偏心距离为零的情况下，光强对比度不变，自聚焦能力不变，焦点位置变远。[0044]与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0045]本发明实施例提出了一种自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定方法及系统，该方法采用光强对比度表征一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力，根据每个光束参数与光强对比度、自聚焦能力、焦点位置的关联关系，确定自聚焦一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时所需的光束参数，当以所需的光束参数在一阶艾里导数光束阵列传输的自由空间中施加电场时，此时传输的一阶艾里导数光束阵列具有高聚焦能力，因此，本发明能提高一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力，从而在大气激光通信时，能抑制大气湍流和大气散射，提高大气激光通信的质量。附图说明[0046]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0047]图1为本发明实施例提供的自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定方法的流程图；[0048]图2为本发明实施例提供的一阶艾里导数光束阵列的轴上光强i(0,0,z)随传输距离z的变化曲线图；[0049]图3为本发明实施例提供的a＝0.1、w0＝0.1mm和c＝0.25mm的一阶艾里导数光束阵列在自由空间不同观察平面上的强度分布图；[0050]图4为本发明实施例提供的a＝0.1、w0＝0.1mm和c＝0.25mm的艾里光束阵列在自由空间不同观察平面上的强度分布图；[0051]图5为本发明实施例提供的自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定系统的结构图。具体实施方式[0052]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0053]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。[0054]本发明实施例寻求基于一阶艾里导数光束设计出一种具有自聚焦能力的一阶艾里导数光束阵列，并且使得该阵列的自聚焦能力强于相同光束参数条件下的艾里光束阵列。所设计的自聚焦一阶艾里导数光束阵列可取代相应的艾里光束阵列，进而提高应用效能，如在大气激光通信时，抑制大气湍流和大气散射，提高大气激光通信的质量。[0055]本发明实施例提供的自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定方法，确定一阶艾里导数光束阵列在初始平面上的空间排列和电场分布，采用光强对比度来描述所设计阵列的自聚焦能力，通过分析偏心距离、指数衰减因子和尺度因子这3个光束参数对所设计的一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时的自聚焦能力和聚焦位置的影响，找到提高一阶艾里导数光束阵列自聚焦能力的方法和调控一阶艾里导数光束阵列焦点位置的方法。[0056]参见图1，本实施例的自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定方法，包括：[0057]步骤101：获取在初始空间平面上以设定空间排列方式排布的一阶艾里导数光束阵列。[0058]利用成对的一阶艾里导数光束沿相反方向上相互加速的原则，设计一阶艾里导数光束阵列，一阶艾里导数光束阵列可以设计成环形或者n×m型排列，本实施例选择n×m型排列的一阶艾里导数光束阵列，n表示阵列排列的行数，m表示阵列排列的列数。[0059]在实际应用中，该步骤，具体包括：[0060]首先由激光器产生最常见的高斯光束，再经空间光调制器进行调制，然后用1个4f光学系统筛选获得一阶艾里导数光束阵列，获取的一阶艾里导数光束阵列，为在初始空间平面上由四个中心对称且呈2×2排列的一阶艾里导数光束组成的阵列。[0061]步骤102：确定所述一阶艾里导数光束阵列在初始平面上的电场分布。所述电场分布的表达式为：[0062][0063]其中，e(x,y,0)为一阶艾里导数光束阵列在初始平面z＝0上的电场分布；x和y是直角坐标系中的两个横向坐标；x为直角坐标系中的x轴上的坐标值；y为直角坐标系中的y轴上的坐标值；x＝(-1)n[x+(-1)nc]，y＝(-1)m[y+(-1)mc]，x表示阵列第n行x轴方向上光束的具体位置；y表示阵列第m列y轴方向上光束的具体位置，n表示阵列排列的行数；m表示阵列排列的列数；a为光强控制参数，a使得在初始平面上的最大光强i0m始终为1；a为指数衰减因子；w0为尺度因子；c为偏心距离；ai′(·)为一阶艾里导数函数。[0064]步骤103：由所述电场分布确定所述一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时电场的解析表达式。[0065]所述解析表达式是由电场分布推导得到，一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时，其电场由柯林斯积分公式表征[0066][0067]式中，k为波数，k＝2π/λ，λ为光束的波长，x′为x轴上的积分变量，y′为y轴上的积分变量，z为直角坐标系中的z轴上的坐标值，z轴是光束传输的方向，i表示虚数单位。经过系列积分后，一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时的电场可解析地表示为e(x,y,z)＝e(x,z)e(y,z)，即所述解析表达式为：[0068]e(x,y,z)＝e(x,z)e(y,z)；[0069]其中e(x,z)和e(y,z)分别为：[0070][0071][0072]e(x,y,z)表示一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时电场的解析表达式；e(x,z)表示x方向上的电场分布；e(y,z)表示y方向上的电场分布；z0表示瑞利距离，k表示波数；ai(·)为艾里函数。[0073]步骤104：由所述解析表达式，计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强对比度；所述光强对比度用于表征所述一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力。[0074]该步骤，具体包括：[0075]根据所述解析表达式计算所述一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时在任一观察平面上的光强；根据所有观察平面上的光强确定一阶艾里导数光束阵列在焦平面上的最大光强；基于所述最大光强计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强对比度。[0076]其中，所述根据所述解析表达式计算所述一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时在任一观察平面上的光强，具体包括：[0077]采用公式i(x,y,z)＝|e(x,y,z)|2计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强；其中，e(x,y,z)表示一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时电场的解析表达式；i(x,y,z)表示所述一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时在任一观察平面z上的光强。[0078]所述基于所述最大光强计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强对比度，具体包括：[0079]一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时的自聚焦能力由光强对比度来描述，采用公式d＝ifm/i0m计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强对比度；其中，d表示光强对比度；ifm表示一阶艾里导数光束阵列在焦平面上的最大光强；i0m表示一阶艾里导数光束阵列在初始平面上的最大光强；i0m始终为1。因此，d＝ifm，ifm越大，一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力就越强。[0080]步骤105：确定每个光束参数与所述光强对比度、自聚焦能力、焦点位置的关联关系；所述光束参数至少包括偏心距离、指数衰减因子和尺度因子。[0081]该步骤，具体包括：[0082]分析3个光束参数对阵列自聚焦能力和焦点位置的影响。由于所设计阵列初始分布的对称性，一阶艾里导数光束阵列的焦点位置zf一定出现在轴上。因此，依次通过改变偏心距离c、指数衰减因子a和尺度因子w0这3个光束参数的一个，分别绘制轴上光强i(0,0,z)相对于传输距离z的曲线，确定偏心距离c、指数衰减因子a和尺度因子w0这3个光束参数对一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力ifm和焦点位置zf的影响。[0083]通过绘制的曲线，确定每个光束参数与所述光强对比度、自聚焦能力、焦点位置的关联关系。因此，所述关联关系为：随着偏心距离的增大，光强对比度增大，自聚焦能力增强，焦点位置变远；随着指数衰减因子的减小，光强对比度增大，自聚焦能力增强，焦点位置变远；随着尺度因子的增大，在偏心距离不为零的情况下，光强对比度减小，自聚焦能力减弱，焦点位置变远；随着尺度因子的增大，在偏心距离为零的情况下，光强对比度不变，自聚焦能力不变，焦点位置变远。[0084]步骤106：根据所述关联关系确定自聚焦一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时所需的光束参数；所述自聚焦一阶艾里导数光束阵列在所期望的焦点位置具有所期望的自聚焦能力；所述所期望的自聚焦能力大于设定值。[0085]通过步骤105得到的关联关系，合理选择所需的光束参数(可根据具体应用场景，借助关联关系人为选择，也可以根据具体应用场景，并以关联关系作为约束，确定选择标准，根据选择标准由机器实现光束参数的选择)。[0086]当以所需的光束参数在一阶艾里导数光束阵列传输的自由空间中施加电场时，此时传输的一阶艾里导数光束阵列具有高聚焦能力，称之为自聚焦一阶艾里导数光束阵列。[0087]本实施例在步骤106之后，还验证了自聚焦一阶艾里导数光束阵列相比艾里光束阵列的传输性能的优越性。[0088]首先，根据步骤106中合理选择的所需光束参数，绘制一阶艾里导数光束阵列和艾里光束阵列在自由空间传输时自聚焦的演化过程图，包括一阶艾里导数光束阵列和艾里光束阵列在自由空间传输的侧视图和在侧视图中用虚线所标记的观察平面上的两维强度图像。由于一阶艾里导数光束阵列x方向和y方向上强度图像具有相同的分布，因此侧视图选择的是x-z方向上的图案，即侧视图上的光强分布是用i(x,z)＝|e(x,z)|2表征。两维强度图像是由i(x,y,z)表征。艾里光束阵列在初始空间平面z＝0上的电场分布为[0089][0090]艾里光束阵列在自由空间传输时的电场可解析地表示为e(x,y,z)＝e(x,z)e(y,z)，其中e(x,z)和e(y,z)分别为[0091][0092][0093]然后，对比分析两阵列的自聚焦能力和焦点位置。上述所绘制的一阶艾里导数光束阵列和艾里光束阵列在自由空间传输的侧视图表明这两个阵列均具有自聚焦能力。通过对比所绘制的一阶艾里导数光束阵列和艾里光束阵列在观察平面上的两维强度图像，可以得到以下结论：在相同光束参数条件下，一阶艾里导数光束阵列的自聚焦演化过程不同于艾里光束阵列，其焦点位置比艾里光束阵列的略有缩短，其自聚焦能力比艾里光束阵列有显著提高。[0094]本发明实施例的方法，确定一阶艾里导数光束阵列在初始平面的空间排列，由此给出一阶艾里导数光束阵列在初始平面上的电场分布；导出一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时电场的解析表达式；基于所得到电场的解析表达式，采用光强对比度来描述一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力；通过绘制轴上光强相对于传输距离的曲线，分析确定偏心距离、指数衰减因子和尺度因子这3个光束参数对一阶艾里导数光束阵列自聚焦能力和焦点位置的影响；合理选择光束参数，绘制一阶艾里导数光束阵列和艾里光束阵列的自聚焦演化过程图；对比分析一阶艾里导数光束阵列和艾里光束阵列的自聚焦能力和焦点位置。[0095]本实施例的方法，其焦点位置比相同光束参数条件下的艾里光束阵列的略有缩短，而其自聚焦能力却比艾里光束阵列有显著提高。通过增大偏心距离或减小指数衰减因子，可以提高一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力。在偏心距离不为零的情况下，还可以通过减小尺度因子来提高一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力。一阶艾里导数光束阵列的焦点位置，可以通过增大偏心距离或尺度因子来延长。[0096]下面给出了自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定方法的一个更为具体实现过程，并对其进行了验证。[0097]本具体实施例中的自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定方法，选择初始空间平面上四个中心对称、呈2×2排列的一阶艾里导数光束组成一阶艾里导数光束阵列；运用柯林斯积分公式导出一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时电场的解析表达式；基于所得到电场的解析表达式，采用光强对比度来描述所设计阵列的自聚焦能力；由于所设计阵列初始分布的对称性，一阶艾里导数光束阵列的焦点位置一定出现在轴上；通过改变偏心距离、指数衰减因子和尺度因子这3个光束参数的任意一个，绘制轴上光强相对于传输距离的曲线，确定偏心距离、指数衰减因子和尺度因子对一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力和焦点位置的影响；基于上述分析，合理选择光束参数，并绘制一阶艾里导数光束阵列和艾里光束阵列在自由空间传输时自聚焦的演化过程图，证明所设计的一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力强于相同光束参数条件下的艾里光束阵列。[0098]本具体实施例的实现过程如下：[0099]在直角坐标系中，x和y是两个横向坐标，z轴是光束传输的方向，z＝0的平面为初始平面。一阶艾里导数光束阵列在初始平面z＝0上由四个中心对称的一阶艾里导数光束组成，呈2×2排列，其电场分布可表示为[0100]式中，x＝(-1)n[x+(-1)nc]，y＝(-1)m[y+(-1)mc]，x表示阵列第n行x轴方向上光束的具体位置；y表示阵列第m列y轴方向上光束的具体位置，n表示阵列排列的行数；m表示阵列排列的列数；常数a是光强控制参数，使得在初始平面上光强的最大值i0m始终为1。a是指数衰减因子，w0是尺度因子，c为偏心距离，ai'(·)是一阶艾里导数函数。[0101]一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时，在观察平面z上的电场由柯林斯积分公式表征：[0102][0103]其中e(x,z)和e(y,z)分别为[0104][0105][0106]式中，k为波数，k＝2π/λ，λ为光束的波长，x'和y'均为积分变量，x'＝(-1)n[x'+(-1)nc]，y'＝(-1)m[y'+(-1)mc]。先导出e(x,z)的解析表达式。首先，e(x,z)可改写为[0107][0108]其次，运用一阶艾里导数函数的积分定义[0109][0110]式中u为积分变量，e(x,z)可表示为[0111][0112]然后运用如下数学积分公式[0113][0114]式中p和q为常数，t为积分变量，e(x,z)可简化为[0115][0116]式中，最后，运用如下数学积分公式[0117][0118]式中b和c为常数，u为积分变量，ai(·)是艾里函数，e(x,z)可解析地表示为[0119][0120]采用上述相同的积分操作后，e(y,z)可解析地表示为[0121][0122]作为对比的艾里光束阵列，其在初始平面z＝0上由四个中心对称的艾里光束组成，呈2×2排列，其电场分布为[0123][0124]采用上述相同的积分操作后，艾里光束阵列在自由空间传输时的电场可解析地表示为e(x,y,z)＝e(x,z)e(y,z)，其中e(x,z)和e(y,z)分别为[0125][0126][0127]一阶艾里导数光束阵列和艾里光束阵列在自由空间传输时，在任一观察平面z上的光强为[0128]i(x,y,z)＝i(x,z)i(y,z)＝|e(x,z)|2|e(y,z)|2[0129]采用光强对比度来描述阵列的自聚焦能力。一阶艾里导数光束阵列和艾里光束阵列在自由空间中传输时的自聚焦能力由光强对比度ifm/i0m＝ifm来描述(i0m始终为1)，其中ifm是阵列在焦平面上光强的最大值。ifm越大，阵列的自聚焦能力就越强。[0130]由于一阶艾里导数光束阵列初始分布的对称性，一阶艾里导数光束阵列的焦点位置zf一定出现在轴上。因此，依次改变偏心距离c、指数衰减因子a和尺度因子w0这3个光束参数的一个，分别绘制轴上光强i(0,0,z)相对于传输距离z的曲线，分析确定偏心距离c、指数衰减因子a和尺度因子w0这3个光束参数对一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力ifm和焦点位置zf的影响，如图2所示。在以下的全部计算中，波长固定为λ＝532nm。图2的(a)部分表示在a＝0.1和w0＝0.1mm的条件下改变偏心距离c，一阶艾里导数光束阵列的轴上光强i(0,0,z)随传输距离z的变化曲线图；图2的(b)部分表示在w0＝0.1mm和c＝0.15mm的条件下改变指数衰减因子a，一阶艾里导数光束阵列的轴上光强i(0,0,z)随传输距离z的变化曲线图；图2的(c)部分表示在a＝0.1和c＝0.15mm的条件下改变尺度因子w0，一阶艾里导数光束阵列的轴上光强i(0,0,z)随传输距离z的变化曲线图；图2的(d)部分表示在a＝0.1和c＝0的条件下改变尺度因子w0，一阶艾里导数光束阵列的轴上光强i(0,0,z)随传输距离z的变化曲线图。图2表明：随着偏心距离c的增大，ifm增大即自聚焦能力增强，焦点位置zf变远。随着指数衰减因子a的减小，ifm增大，自聚焦能力增强，焦点位置zf略微变大。随着尺度因子w0的增大，在偏心距离c不为零的情况下ifm减小即自聚焦能力减弱；在偏心距离c为零的情况下ifm保持不变即自聚焦能力不变。随着尺度因子w0的增大，焦点位置zf始终变远。[0131]通过图2的分析，光束参数选择为a＝0.1、w0＝0.1mm和c＝0.25mm。图3给出了a＝0.1、w0＝0.1mm和c＝0.25mm的一阶艾里导数光束阵列在自由空间的自聚焦演化过程。图3的(a)部分表示一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输的侧视图i(x,z)。图3的(b)-(g)部分是图3的(a)部分中用虚线标记的不同观察平面上一阶艾里导数光束阵列的两维强度图像i(x,y,z)，用虚线标记的观察平面分别是z＝0、z＝0.25m、z＝0.3m、z＝0.33m、z＝zf＝0.428m和z＝0.5m。图3的(a)部分表明一阶艾里导数光束阵列具有自聚焦特性。一阶艾里导数光束阵列在初始平面z＝0上的光强图案由四个相互对称分布且独立的一阶艾里导数光束光斑组成。当一阶艾里导数光束阵列传播到z＝0.25m时，四个一阶艾里导数光束的光斑相互接触并连接在一起，但中心区域的光强仍然很弱。当一阶艾里导数光束阵列传播到z＝0.3m时，四个一阶艾里导数光束的主瓣和旁瓣开始相互接触，但它们没有完全融合。在这种情况下，中央的光瓣已经成为主导光瓣。当一阶艾里导数光束阵列传播到z＝0.33m时，主瓣已完成融合过程，而旁瓣尚未完全融合。当一阶艾里导数光束阵列传播到z＝zf＝0.428m时，四个一阶艾里导数光束光斑已完全融合，这表明一阶艾里导数光束阵列已实现自聚焦，并且ifm＝17.02。一阶艾里导数光束阵列经过焦平面后，中央区域光瓣的光强逐渐减小直到零为止，位于对角线上的四个旁瓣的光强逐渐增大，如图3的(g)部分所示。为了便于对比，图4给出了具有相同光束参数的艾里光束阵列的自聚焦演化过程，图4的(a)部分表示艾里光束阵列在自由空间传输的侧视图i(x,z)；图4的(b)-(g)部分是图4的(a)部分中用虚线标记的观察平面上的两维强度图像i(x,y,z)，即z＝0、z＝0.25m、z＝0.3m、z＝0.33m、z＝zf＝0.434m和z＝0.5m。由于一阶艾里导数光束的初始电场分布与艾里光束的初始电场分布完全不同，因此一阶艾里导数光束阵列的自聚焦演化过程也与艾里光束阵列的演化过程完全不同。艾里光束阵列的ifm和zf分别为5.24和0.434m。因此，在聚焦位置变化不大的情况下，光束参数相同的一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力明显强于艾里光束阵列，是艾里光束阵列自聚焦能力的3.25倍。[0132]综上所述，所设计的由初始空间平面上四个中心对称、呈2×2排列的一阶艾里导数光束组成的一阶艾里导数光束阵列，可以通过增大偏心距离或减小指数衰减因子，提高一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力。此外，在偏心距离不为零的情况下，还可以通过减小尺度因子来增强一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力。一阶艾里导数光束光束阵列的聚焦位置可以通过偏心距离或尺度因子加以调控，通过增大偏心距离或尺度因子，焦点位置就会变远。[0133]在实际应用中，上述实施例确定的自聚焦一阶艾里导数光束阵列在用于大气激光通信时，能抑制大气湍流和大气散射，提高大气激光通信的质量。[0134]大气激光通信是指通过大气利用激光进行信息传递的一种通信方式，包括发送和接收两个部分，基本原理是载波光信号通过大气作为传输信道完成点到点或点到多点的信息传输。单个艾里光束经远距离传输后，受光束衍射与大气湍流的影响，光束界面将出现光束弯曲、漂移与扩展、强度起伏及相干性退化等现象，光束强度变低，密度变小，导致接收端的光电转换器由于接收的光信号较弱而使通信质量变差。所以，单个艾里光束的光束强度、光束密度以及对大气湍流的抑制优势并不明显。因此，使用具有更高光束强度和更大密度的艾里光束阵列较单个艾里光束对于抵御大气湍流、提高通信效率，更具优势。由于一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力强于相同光束参数的艾里光束阵列，用一阶艾里导数光束阵列取代艾里光束阵列作为载波光信号，将进一步提高大气激光通信的质量。[0135]本发明还提供了一种自聚焦一阶艾里导数光束阵列的确定系统，参见图5，所述系统，包括：[0136]光束阵列获取模块201，用于获取在初始空间平面上以设定空间排列方式排布的一阶艾里导数光束阵列。[0137]电场分布确定模块202，用于确定所述一阶艾里导数光束阵列在初始平面上的电场分布。[0138]解析表达式确定模块203，用于由所述电场分布确定所述一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时电场的解析表达式。[0139]光强对比度计算模块204，用于由所述解析表达式，计算所述一阶艾里导数光束阵列的光强对比度；所述光强对比度用于表征所述一阶艾里导数光束阵列的自聚焦能力。[0140]关联关系确定模块205，用于确定每个光束参数与所述光强对比度、自聚焦能力、焦点位置的关联关系；所述光束参数至少包括偏心距离、指数衰减因子和尺度因子。[0141]自聚焦光束参数确定模块206，用于根据所述关联关系确定自聚焦一阶艾里导数光束阵列在自由空间传输时所需的光束参数；所述自聚焦一阶艾里导数光束阵列在所期望的焦点位置具有所期望的自聚焦能力；所述所期望的自聚焦能力大于设定值。[0142]在一个示例中，所述关联关系确定模块205，具体包括：[0143]关系确定单元，用于随着偏心距离的增大，光强对比度增大，自聚焦能力增强，焦点位置变远；随着指数衰减因子的减小，光强对比度增大，自聚焦能力增强，焦点位置变远；随着尺度因子的增大，在偏心距离不为零的情况下，光强对比度减小，自聚焦能力减弱，焦点位置变远；随着尺度因子的增大，在偏心距离为零的情况下，光强对比度不变，自聚焦能力不变，焦点位置变远。[0144]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。[0145]本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。









图片声明：本站部分配图来自人工智能系统AI生成,觅知网授权图片,PxHere摄影无版权图库。本站只作为美观性配图使用,无任何非法侵犯第三方意图,一切解释权归图片著作权方,本站不承担任何责任。如有恶意碰瓷者,必当奉陪到底严惩不贷!




内容声明：本文中引用的各种信息及资料（包括但不限于文字、数据、图表及超链接等）均来源于该信息及资料的相关主体（包括但不限于公司、媒体、协会等机构）的官方网站或公开发表的信息。部分内容参考包括:(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供参考使用,不准确地方联系删除处理！本站为非盈利性质站点,发布内容不收取任何费用也不接任何广告!




免责声明：我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本文部分文字与图片资源来自于网络，部分文章是来自自研大数据AI进行生成,内容摘自(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!