本發(fā)明屬于光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域，具體的說是涉及一種基于偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的矢量渦旋光生成方法。

背景技術(shù)：

1、矢量渦旋光(vector?vortex?beam,vvb)結(jié)合了渦旋光束和矢量光束的特性，具有攜帶軌道角動量(orbital?angular?momentum,oam)的螺旋相位波前e-ilθ和偏振態(tài)。其不同的oam模式和偏振態(tài)都可以攜帶信息，并且不同的oam模式之間相互正交，為實現(xiàn)高容量、高速率、大規(guī)模的光通信提供了全新的自由度。近年來，矢量渦旋光的生成方案主要為以下幾種：液晶相位板法(s-lcd)、空間光調(diào)制器法(slm)、超表面生成法等。已經(jīng)被廣泛用于生成矢量渦旋光。前兩種具有較高的調(diào)控靈活性但往往光損耗較大造成效率較低，而超表面技術(shù)雖然在集成化和高效性方面具有突出優(yōu)勢，但難以靈活調(diào)節(jié)且成本較高，因此傳統(tǒng)的生成方法無法兼?zhèn)潇`活性和高效性。

2、綜上所述，現(xiàn)有矢量渦旋光生成技術(shù)存在局限，并且傳統(tǒng)的d2nns對光的偏振狀態(tài)不敏感，不能在光的偏振維度上進行光調(diào)制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的矢量渦旋光生成方法，本發(fā)明在傳統(tǒng)的衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，添加了一層線性不可調(diào)控的偏振陣列，該陣列能夠幫助d2nns實現(xiàn)對于x和y方向的獨立調(diào)制，具備衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控靈活性和低功耗性，有望應(yīng)用于光通信、量子信息、光學(xué)計算等領(lǐng)域，為矢量光場的生成提供了新的解決方案。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明是一種基于偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的矢量渦旋光生成方法，所述偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(p-d2nns)包括實現(xiàn)偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(p-d2nns)在x和y方向上進行獨立偏振調(diào)制的偏振陣列層，具體的，矢量渦旋光生成方法具體包括以下步驟：

4、步驟1、將波長為λ的高斯光束入射到偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(p-d2nns)的輸入平面上；

5、步驟2、將所述輸入平面上的入射點按照mpsk星座圖方式排列，同時包含n種不同位置的入射點，代表不同拓?fù)浜芍档氖噶繙u旋光；

6、步驟3、預(yù)先設(shè)置偏振陣列層；

7、步驟4、將步驟3預(yù)先設(shè)置好的偏振陣列層放置在衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(d2nns)衍射層之間，且與前一衍射層之間的距離為dp；

8、步驟5、通過不同空間位置將高斯光束輸入到偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(p-d2nns)上，每一個位置輸入都對應(yīng)著在偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(p-d2nns)的輸出平面上的不同拓?fù)浜傻能壍澜莿恿?oam)模式的矢量渦旋光輸出，通過與偏振陣列層的瓊斯矩陣相乘，可在輸出平面上獲得x和y方向上不同偏振調(diào)制的矢量光場；

9、步驟6、在偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(p-d2nns)訓(xùn)練時，使用均方誤差損失函數(shù)來計算得到的預(yù)測矢量光場輸出與目標(biāo)光束即矢量渦旋光之間的差異，并通過最小化均方誤差損失函數(shù)(mse)來評估偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(p-d2nns)，使用隨機梯度下降算法對偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(p-d2nns)進行優(yōu)化；

10、步驟7、通過x和y方向矢量光場的綜合，生成不同矢量渦旋光束；

11、步驟8、將生成的矢量渦旋光束進行stokes運算，得到各偏振方向的光場分布，驗證所生成的矢量渦旋光束；

12、步驟9、使用歸一化重疊積分和平均結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)(ssim)來衡量步驟7生成的矢量渦旋光束的質(zhì)量。

13、本發(fā)明的進一步改進在于：步驟5具體包括如下步驟：

14、步驟5.1、使用高斯光束作為輸入，在輸入平面空間位置(xm,ym,zm)上的輸入偏振電磁波的光場，表示為：

15、

16、其中，ex表示)x方向的光場和，ey表示y方向的光場，(xm,ym,zm)表示空間位置，m表示第m個入射高斯點，ex和ey在整個偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(p-d2nns)當(dāng)中并行計算；

17、步驟5.2、對兩個正交偏振態(tài)產(chǎn)生相同的復(fù)值調(diào)制，衍射層之間的傳播基于rayleigh-sommerfeld衍射方程進行，若輸入到衍射層和衍射層之間的距離均設(shè)為d，那么經(jīng)過第l層衍射層后到達(dá)第l+1層的經(jīng)過調(diào)制的光場表示為：

18、

19、其中，p表示位于(x,y,z)處的調(diào)制光場e的偏振態(tài)，s表示第l層的所有像素點，tl+1表示第l+1衍射層的調(diào)制，調(diào)制可以是相位調(diào)制、幅度調(diào)制和幅度-相位調(diào)制，表示第l層與(l+1)層之間在m點的衍射傳播函數(shù)；

20、步驟5.3、利用瓊斯矩陣jθ表示偏振陣列層中每個偏振單元，θ表示偏振軸與x軸的夾角，那么偏振陣列層中位于(x,y,z)處的偏振單元對輸入矢量光場調(diào)制表示為：

21、eout(x,y,z)＝j(luò)θ(x,y,z)ein(x,y,z)

22、其中，ein和eout分別表示偏振調(diào)制前后的矢量光場，對于每一個矢量光場，都有x和y兩個方向分量，此時經(jīng)過偏振陣列層瓊斯矩陣jθ，對x和y兩個方向分量產(chǎn)生了不同的調(diào)制。

23、本發(fā)明的進一步改進在于：在步驟8中，在輸出平面上，使用stokes參數(shù)可有效顯示出輸出矢量渦旋光場的矢量特性，表現(xiàn)為不同極化方向上矢量光場的強度分布各不相同，stokes參數(shù)是一個包含s0、s1、s2、s3的四維向量，用來描述任意的矢量光場，其表達(dá)式為：

24、

25、其中，ih、iv分別表示水平和垂直方向強度，i45°、i135°分別表示與x軸成45°與135°偏振方向強度，ir、il分別表示右圓和左圓偏振強度，對于每一種模式的矢量渦旋光場，經(jīng)過stokes運算后得到對應(yīng)的偏振方向的光場，當(dāng)各偏振方向的光場強度分布具有不同的花瓣分布時，驗證所生成的光場是矢量渦旋光場。

26、本發(fā)明的進一步改進在于：所述步驟9中，使用歸一化重疊積分和平均結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)(ssim)來檢驗步驟7生成的矢量渦旋光束的質(zhì)量，具體為：將重疊積分歸一化到[0,1]的范圍內(nèi)，1表示完全重疊，0表示完全不重疊，表示為：

27、

28、其中，e1[n]和e2[n]表示目標(biāo)光場和預(yù)測光場輸出平面第n個像素點的光場值，e2*[n]表示對e2[n]取共軛，表示重疊和的平方，是光場強度的乘積，用于歸一化；

29、平均結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)(ssim)的計算表示為：

30、

31、其中，μ1表示目標(biāo)光場e1[n]振幅的均值，μ2表示預(yù)測光場e2[n]振幅的均值，σ12表示e1[n]振幅的方差，σ22表示e2[n]振幅的方差，σ12表示e1[n]、e2[n]振幅的協(xié)方差，c1和c2是常數(shù)，防止除零錯誤。

32、本發(fā)明的進一步改進在于：偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入平面、輸出平面、衍射層和實現(xiàn)偏振編碼衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(p-d2nns)在x和y方向上進行獨立偏振調(diào)制的偏振陣列層。

33、本發(fā)明的進一步改進在于：步驟3中的所述偏振陣列層包括多個偏振單元，每個所述偏振單元共包括0°、90°兩個偏振角度。

34、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在傳統(tǒng)的衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，添加了一層線性不可調(diào)控的偏振陣列層，該陣列層能夠幫助d2nns實現(xiàn)對于x和y方向的獨立調(diào)制。具體來說，強度相同的x和y偏振光，在偏振不敏感的衍射層產(chǎn)生的調(diào)制相同，但在經(jīng)過偏振陣列層時，通過與偏振陣列層的瓊斯矩陣相乘，在x和y方向上會產(chǎn)生不同的偏振調(diào)制，因此得到不同的預(yù)測矢量光場。通過將網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果與輸出目標(biāo)相匹配，從而實現(xiàn)矢量渦旋光的生成。

35、同時，本發(fā)明所生成的矢量光束進行了光場相似度分析，獲得到了所需指標(biāo)的矢量渦旋光束。

36、本發(fā)明為全光計算下高效、靈活實現(xiàn)矢量渦旋光的生成提供了一種新的思路。

37、本發(fā)明所提出的偏振衍射網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不是基于雙折射、各向異性或偏振敏感材料，而是在基于標(biāo)準(zhǔn)各向同性衍射材料的同時加入一層線性偏振片，這使本發(fā)明在材料選擇、制造和放大方面更為簡單。