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一种基于角谱理论的改进型相位恢复迭代算法

刘宏展 纪越峰

一种基于角谱理论的改进型相位恢复迭代算法

刘宏展, 纪越峰
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  • 进行星间激光通信的光学发射天线光束整形器设计时, 首要解决的问题是根据输入光场及理想的输出光场, 确定整形器的相位分布, 其核心就是相位恢复. 基于角谱传播理论, 在传统 Gerchberg-Saxton (G-S)迭代算法的基础上, 提出了一种幅度梯度加成迭代算法, 给出了算法的详细流程与分析. 与G-S相比, 新算法利用迭代过程, 构建光场幅度反馈回路, 利用梯度搜索最佳迭代路径, 两者的联合作用加速其迭代收敛进程. 数值仿真表明, 新算法的单位迭代次数所引起迭代误差下降的速度是G-S算法的1.7倍, 其收敛速度明显优于G-S算法; 对不同的随机初始相位, 新算法都能进行有效迭代, 表现出适应性强, 且收敛一致性好的优点. 幅度梯度加成迭代算法为复杂光场的高效相位恢复提供了一种新思路, 为设计各种衍射光学元件提供了技术支持.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2012CB315705)、国家高技术研究发展计划 (批准号: 2011AA010306) 和中国博士后基金(批准号: 20100470257) 资助的课题.
    [1]

    Huang L X, Yao X, Cai D M, Guo Y K, Yao J, Gao F H 2010 Chin. J. Laser. 37 1218 (in Chinese) [黄利新, 姚新, 蔡冬梅, 郭永康, 姚军, 高福华 2010 中国激光 37 1218]

    [2]

    Yu J J, Tan L Y, Ma J, Han Q Q, Yang Y Q, Li M 2009 Chin. J. Laser. 36 581 (in Chinese) [俞建杰, 谭立英, 马晶, 韩琦琦, 杨玉强, 李密 2009 中国激光 36 581]

    [3]

    Wu R,Hua N, Zhang X B, Cao G W, Zhao D F, Zhou S L 2012 Acta Phys. Sin. 61 224202 (in Chinese) [邬融, 华能, 张晓波, 曹国威, 赵东峰, 周申蕾 2012 物理学报 61 224202]

    [4]

    Yu B, Peng X, Tian J D, Niu H B 2005 Acta Phys. Sin. 54 2034 (in Chinese) [于斌, 彭翔, 田劲东, 牛憨笨 2005 物理学报 54 2034

    [5]

    Deng X P, Zhao D M 2011 Appl. Opt. 50 6019

    [6]

    Gerchberg R W, Saxton W O 1972 Optik 35 237

    [7]

    Fienup J R 1982 Appl. Opt. 21 2758

    [8]

    Lu Y, Li Q, Dong Y H, Gao H D, Ma Z G 2001 J. Opt. Laser 12 365 (in Chinese) [鲁建业, 李琦, 董蕴华, 高惠德, 马祖光 2001 光电子激光 12 365]

    [9]

    Fang L, Ye Y T, Wu Y F, Lu J J, Yang X M, Cheng Z Q Opt 2006 Opt. El. Eng. 33 42 (in Chinese) [方亮, 叶玉堂, 吴云峰, 陆佳佳, 杨先明, 成志强 2006 光电工程 33 42]

    [10]

    Li S L, Li H T, Yang X J 2008 J. Appl. Opt. 29 758 (in Chinese) [李社蕾, 李海涛, 杨喜娟 2008 应用光学 29 758]

    [11]

    Yang G Z, Gu B Y 1981 Acta Phys. Sin. 30 410 (in Chinese) [杨国桢, 顾本源 1981 物理学报 30 410]

    [12]

    Goodman J W 1996 Introduction to Fourier Optics (2nd EdN.) (New York: McGraw-Hill) p55

    [13]

    Li J C 2009 Acta Opt. Sin. 29 1163 (in Chinese) [李俊昌 2009 光学学报 29 1163]

    [14]

    Biggs D S C, Andrews M 1997 Appl. Opt. 36 1766

    [15]

    Wen C L, Ji J R, Dou W H, Song Y S 2010 Acta Opt. Sin. 30 2473 (in Chinese) [温昌礼, 季家镕, 窦文华, 宋艳生 2010 光学学报 30 2473]

    [16]

    Deng X G, Li Y P, Qiu Y, Fan D Y 1995 Chin. J. Laser B 4 447

  • [1]

    Huang L X, Yao X, Cai D M, Guo Y K, Yao J, Gao F H 2010 Chin. J. Laser. 37 1218 (in Chinese) [黄利新, 姚新, 蔡冬梅, 郭永康, 姚军, 高福华 2010 中国激光 37 1218]

    [2]

    Yu J J, Tan L Y, Ma J, Han Q Q, Yang Y Q, Li M 2009 Chin. J. Laser. 36 581 (in Chinese) [俞建杰, 谭立英, 马晶, 韩琦琦, 杨玉强, 李密 2009 中国激光 36 581]

    [3]

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    [5]

    Deng X P, Zhao D M 2011 Appl. Opt. 50 6019

    [6]

    Gerchberg R W, Saxton W O 1972 Optik 35 237

    [7]

    Fienup J R 1982 Appl. Opt. 21 2758

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    Lu Y, Li Q, Dong Y H, Gao H D, Ma Z G 2001 J. Opt. Laser 12 365 (in Chinese) [鲁建业, 李琦, 董蕴华, 高惠德, 马祖光 2001 光电子激光 12 365]

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    Li S L, Li H T, Yang X J 2008 J. Appl. Opt. 29 758 (in Chinese) [李社蕾, 李海涛, 杨喜娟 2008 应用光学 29 758]

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    [12]

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    [13]

    Li J C 2009 Acta Opt. Sin. 29 1163 (in Chinese) [李俊昌 2009 光学学报 29 1163]

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  • [1] 刘诚, 潘兴臣, 朱健强. 基于光栅分光法的相干衍射成像. 物理学报, 2013, 62(18): 184204. doi: 10.7498/aps.62.184204
    [2] 戚俊成, 陈荣昌, 刘宾, 陈平, 杜国浩, 肖体乔. 基于迭代重建算法的X射线光栅相位CT成像. 物理学报, 2017, 66(5): 054202. doi: 10.7498/aps.66.054202
    [3] 席丽霞, 唐先锋, 王少康, 张晓光. 基于光子晶体光纤的相位再生器的设计及优化. 物理学报, 2009, 58(9): 6243-6247. doi: 10.7498/aps.58.6243
    [4] 杨振亚, 郑楚君. 基于压缩传感的纯相位物体相位恢复. 物理学报, 2013, 62(10): 104203. doi: 10.7498/aps.62.104203
    [5] 于 斌, 彭 翔, 田劲东, 牛憨笨. 硬x射线同轴相衬成像的相位恢复. 物理学报, 2005, 54(5): 2034-2037. doi: 10.7498/aps.54.2034
    [6] 黄燕萍, 祁春媛. 用相位恢复方法测量多孔光纤的三维折射率分布. 物理学报, 2006, 55(12): 6395-6398. doi: 10.7498/aps.55.6395
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    [11] 刘慧强, 任玉琦, 周光照, 和友, 薛艳玲, 肖体乔. 相移吸收二元性算法用于X射线混合衬度定量显微CT的可行性研究. 物理学报, 2012, 61(7): 078701. doi: 10.7498/aps.61.078701
    [12] 孙腾飞, 卢鹏, 卓壮, 张文浩, 卢景琦. 基于单一分光棱镜干涉仪的双通路定量相位显微术. 物理学报, 2018, 67(14): 140704. doi: 10.7498/aps.67.20172722
    [13] 潘安, 张晓菲, 王彬, 赵青, 史祎诗. 厚样品三维叠层衍射成像的实验研究. 物理学报, 2016, 65(1): 014204. doi: 10.7498/aps.65.014204
    [14] 潘安, 王东, 史祎诗, 姚保利, 马臻, 韩洋. 多波长同时照明的菲涅耳域非相干叠层衍射成像. 物理学报, 2016, 65(12): 124201. doi: 10.7498/aps.65.124201
    [15] 牛生晓, 王云才, 贺虎成, 张明江. 光注入半导体激光器产生可调谐高频微波. 物理学报, 2009, 58(10): 7241-7245. doi: 10.7498/aps.58.7241
    [16] 王文睿, 于晋龙, 韩丙辰, 郭精忠, 罗俊, 王菊, 刘毅, 杨恩泽. 基于高非线性光纤中非线性偏振旋转效应的全光逻辑门研究. 物理学报, 2012, 61(8): 084214. doi: 10.7498/aps.61.084214
    [17] 黄标, 于晋龙, 王文睿, 王菊, 薛纪强, 于洋, 贾石, 杨恩泽. 基于注入锁定法布里-珀罗激光器的光学双稳态及光存储研究. 物理学报, 2015, 64(4): 044204. doi: 10.7498/aps.64.044204
    [18] 江镭, 李璞, 张建忠, 孙媛媛, 胡兵, 王云才. 基于太赫兹光非对称解复用器结构的低开关能量、高线性度全光采样门实验研究. 物理学报, 2015, 64(15): 154213. doi: 10.7498/aps.64.154213
    [19] 张永棠. 一种广义三模腔光机械系统的相干完美吸收与透射. 物理学报, 2017, 66(10): 107101. doi: 10.7498/aps.66.107101
    [20] 梁冠全, 韩 鹏, 汪河洲. 空间与频率双性能的薄膜光学滤波器. 物理学报, 2004, 53(7): 2197-2200. doi: 10.7498/aps.53.2197
  • 引用本文:
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  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2012-12-20
  • 修回日期:  2013-01-29
  • 刊出日期:  2013-06-05

一种基于角谱理论的改进型相位恢复迭代算法

  • 1. 北京邮电大学, 信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876;
  • 2. 华南师范大学, 广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室, 广州 510006
    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(批准号: 2012CB315705)、国家高技术研究发展计划 (批准号: 2011AA010306) 和中国博士后基金(批准号: 20100470257) 资助的课题.

摘要: 进行星间激光通信的光学发射天线光束整形器设计时, 首要解决的问题是根据输入光场及理想的输出光场, 确定整形器的相位分布, 其核心就是相位恢复. 基于角谱传播理论, 在传统 Gerchberg-Saxton (G-S)迭代算法的基础上, 提出了一种幅度梯度加成迭代算法, 给出了算法的详细流程与分析. 与G-S相比, 新算法利用迭代过程, 构建光场幅度反馈回路, 利用梯度搜索最佳迭代路径, 两者的联合作用加速其迭代收敛进程. 数值仿真表明, 新算法的单位迭代次数所引起迭代误差下降的速度是G-S算法的1.7倍, 其收敛速度明显优于G-S算法; 对不同的随机初始相位, 新算法都能进行有效迭代, 表现出适应性强, 且收敛一致性好的优点. 幅度梯度加成迭代算法为复杂光场的高效相位恢复提供了一种新思路, 为设计各种衍射光学元件提供了技术支持.

English Abstract

参考文献 (16)

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